El misterio que rodea al paradero de un agujero negro supermasivo se ha profundizado.
A pesar de buscar con el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y el Telescopio Espacial Hubble, los astrónomos no tienen evidencia de que se pueda encontrar un agujero negro distante que se estima que pesa entre 3 mil millones y 100 mil millones de veces la masa del Sol.
Este agujero negro perdido debería estar en la enorme galaxia en el centro del cúmulo de galaxias Abell 2261, que se encuentra a unos 2.700 millones de años luz de la Tierra. Esta imagen compuesta de Abell 2261 contiene datos ópticos del Hubble y el Telescopio Subaru que muestran galaxias en el cúmulo y en el fondo, y datos de rayos X de Chandra que muestran gas caliente (de color rosa) que impregna el cúmulo. La mitad de la imagen muestra la gran galaxia elíptica en el centro del cúmulo.
Casi todas las grandes galaxias del Universo contienen un agujero negro supermasivo en su centro, con una masa que es millones o miles de millones de veces la del Sol. Dado que la masa de un agujero negro central generalmente sigue la masa de la propia galaxia, los astrónomos esperan que la galaxia en el centro de Abell 2261 contenga un agujero negro supermasivo que compite con el peso de algunos de los agujeros negros más grandes conocidos del Universo.
Utilizando los datos de Chandra obtenidos en 1999 y 2004, los astrónomos ya habían buscado en el centro de la gran galaxia central de Abell 2261 signos de un agujero negro supermasivo. Buscaron material que se había sobrecalentado mientras caía hacia el agujero negro y producía rayos X, pero no detectaron tal fuente.
Ahora, con observaciones nuevas y más largas de Chandra obtenidas en 2018, un equipo dirigido por Kayhan Gultekin de la Universidad de Michigan en Ann Arbor realizó una búsqueda más profunda del agujero negro en el centro de la galaxia. También consideraron una explicación alternativa, en la que el agujero negro fue expulsado del centro de la galaxia anfitriona. Este evento violento puede haber resultado de la fusión de dos galaxias para formar la galaxia observada, acompañada por el agujero negro central en cada galaxia fusionándose para formar un enorme agujero negro.
Cuando los agujeros negros se fusionan, producen ondas en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales . Si la gran cantidad de ondas gravitacionales generadas por tal evento fuera más fuerte en una dirección que en otra, la teoría predice que el nuevo agujero negro, aún más masivo, habría sido enviado a toda velocidad desde el centro de la galaxia en la dirección opuesta. A esto se le llama agujero negro en retroceso.
Los astrónomos no han encontrado evidencia definitiva del retroceso de los agujeros negros y no se sabe si los agujeros negros supermasivos se acercan lo suficiente entre sí para producir ondas gravitacionales y fusionarse; Hasta ahora, los astrónomos solo han verificado las fusiones de agujeros negros mucho más pequeños . La detección de agujeros negros supermasivos en retroceso envalentonaría a los científicos que utilizan y desarrollan observatorios para buscar ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros supermasivos.
La galaxia en el centro de Abell 2261 es un cúmulo excelente para buscar un agujero negro en retroceso porque hay dos signos indirectos de que podría haber tenido lugar una fusión entre dos agujeros negros masivos. Primero, los datos de las observaciones ópticas de Hubble y Subaru revelan un núcleo galáctico - la región central donde el número de estrellas en la galaxia en un parche dado de la galaxia está en o cerca del valor máximo - que es mucho más grande de lo esperado para un galaxia de su tamaño. La segunda señal es que la concentración más densa de estrellas en la galaxia se encuentra a más de 2000 años luz del centro de la galaxia, que está sorprendentemente distante.
Estas características fueron identificadas por primera vez por Marc Postman del Space Telescope Science Institute (STScI) y colaboradores en sus imágenes anteriores de Hubble y Subaru, y los llevaron a sugerir la idea de un agujero negro fusionado en Abell 2261. Durante una fusión, el agujero negro supermasivo en cada galaxia se hunde hacia el centro de la galaxia recién fusionada. Si se unen entre sí por la gravedad y su órbita comienza a encogerse, se espera que los agujeros negros interactúen con las estrellas circundantes y las expulsen del centro de la galaxia. Esto explicaría el gran núcleo de Abell 2261. La concentración descentrada de estrellas también puede haber sido causada por un evento violento como la fusión de dos agujeros negros supermasivos y el posterior retroceso de un solo agujero negro más grande que resulta.
Aunque hay indicios de que se produjo una fusión de agujeros negros, ni los datos de Chandra ni del Hubble mostraron evidencia del agujero negro en sí. Gultekin y la mayoría de sus coautores, dirigidos por Sarah Burke-Spolaor de la Universidad de West Virginia, habían utilizado previamente el Hubble para buscar un grupo de estrellas que podrían haber sido arrastradas por un agujero negro en retroceso. Estudiaron tres grupos cerca del centro de la galaxia y examinaron si los movimientos de las estrellas en estos grupos son lo suficientemente altos como para sugerir que contienen un agujero negro de diez mil millones de masas solares. No se encontró evidencia clara de un agujero negro en dos de los grupos y las estrellas en el otro eran demasiado débiles para producir conclusiones útiles.
También estudiaron previamente las observaciones de Abell 2261 con Karl G. Jansky Very Large Array de NSF. La emisión de radio detectada cerca del centro de la galaxia mostró evidencia de que la actividad de un agujero negro supermasivo había ocurrido allí hace 50 millones de años, pero no indica que el centro de la galaxia contenga actualmente tal agujero negro.
Luego se dirigieron a Chandra para buscar material que se había sobrecalentado y produjo rayos X mientras caía hacia el agujero negro. Si bien los datos de Chandra revelaron que el gas caliente más denso no estaba en el centro de la galaxia, no revelaron ninguna posible firma de rayos X de un agujero negro supermasivo en crecimiento; no se encontró ninguna fuente de rayos X en el centro del cúmulo. , o en cualquiera de los cúmulos de estrellas, o en el sitio de la emisión de radio.
Los autores concluyeron que no hay un agujero negro en ninguno de estos lugares o que está atrayendo material demasiado lentamente para producir una señal de rayos X detectable.
Por lo tanto, el misterio de la ubicación de este gigantesco agujero negro continúa. Aunque la búsqueda no tuvo éxito, los astrónomos tienen esperanzas de encontrar este agujero negro supermasivo en el futuro. Una vez lanzado, el telescopio espacial James Webb puede revelar la presencia de un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia o uno de los grupos de estrellas. Si Webb no puede encontrar el agujero negro, entonces la mejor explicación es que el agujero negro se ha alejado bastante del centro de la galaxia.
Un artículo que describe estos resultados ha sido aceptado para su publicación en una revista de la American Astronomical Society, y también está disponible en línea en https://arxiv.org/abs/2010.13980 . Los coautores de Gultekin son Sarah Burke-Spolaor; Tod R. Lauer (Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Óptica Infrarroja, Tucson, Arizona); T. Joseph W. Lazio y Leonidas A. Moustakas (Laboratorio de propulsión a chorro, Instituto de Tecnología de California, Pasadena, California); y Patrick Ogle y Marc Postman (Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, Baltimore, Maryland).
El Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA administra el programa Chandra. El Centro de Rayos X Chandra del Observatorio Astrofísico Smithsoniano controla la ciencia desde Cambridge Massachusetts y las operaciones de vuelo desde Burlington, Massachusetts.
Crédito de la imagen: Rayos X: NASA / CXC / Univ of Michigan / K. Gültekin; Óptica: NASA / STScI y NAOJ / Subaru; Infrarrojos: NSF / NOAO / KPNO
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