Los astrónomos han confirmado el primer ejemplo de un cúmulo de galaxias en el que están naciendo un gran número de estrellas en su núcleo. Utilizando datos de los telescopios espaciales de la NASA y un radioobservatorio de la National Science Foundation, los investigadores han recopilado nuevos detalles sobre cómo los agujeros negros más masivos del universo afectan a sus galaxias anfitrionas.
Los cúmulos de galaxias son las estructuras más grandes del cosmos que se mantienen unidas por la gravedad, y consisten en cientos o miles de galaxias incrustadas en gas caliente, así como en materia oscura invisible . Los agujeros negros supermasivos más grandes conocidos se encuentran en galaxias en el centro de estos cúmulos.
Durante décadas, los astrónomos han buscado cúmulos de galaxias que contengan ricos viveros de estrellas en sus galaxias centrales. En cambio, encontraron poderosos agujeros negros gigantes que bombeaban energía a través de chorros de partículas de alta energía y mantenían el gas demasiado caliente para formar muchas estrellas.
Ahora, los científicos tienen evidencia convincente de un cúmulo de galaxias donde las estrellas se están formando a un ritmo vertiginoso, aparentemente vinculado a un agujero negro menos efectivo en su centro. En este cúmulo único, los chorros del agujero negro central parecen estar ayudando en la formación de estrellas. Los investigadores utilizaron nuevos datos del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y el Telescopio Espacial Hubble, y Karl Jansky Very Large Array (VLA) de la NSF para basarse en observaciones anteriores de este cúmulo.
"Este es un fenómeno que los astrónomos han estado tratando de encontrar durante mucho tiempo", dijo Michael McDonald, astrónomo del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), quien dirigió el estudio. "Este cúmulo demuestra que, en algunos casos, la salida energética de un agujero negro puede mejorar el enfriamiento, lo que tiene consecuencias dramáticas".
El agujero negro está en el centro de un cúmulo de galaxias llamado Cúmulo Fénix, ubicado a unos 5,8 mil millones de años luz de la Tierra en la constelación de Fénix. La gran galaxia que alberga el agujero negro está rodeada de gas caliente con temperaturas de millones de grados. La masa de este gas, equivalente a billones de soles, es varias veces mayor que la masa combinada de todas las galaxias del cúmulo.
Este gas caliente pierde energía a medida que brilla en los rayos X, lo que debería hacer que se enfríe hasta que pueda formar una gran cantidad de estrellas. Sin embargo, en todos los demás cúmulos de galaxias observados, las ráfagas de energía impulsadas por un agujero negro de este tipo evitan que la mayor parte del gas caliente se enfríe, evitando el nacimiento de estrellas generalizado.
“Imagínese tener un acondicionador de aire en su casa en un día caluroso, pero luego encender un fuego de leña. Tu sala de estar no puede enfriarse adecuadamente hasta que apagas el fuego ”, dijo el coautor Brian McNamara de la Universidad de Waterloo en Canadá. "De manera similar, cuando la capacidad de calentamiento de un agujero negro se apaga en un cúmulo de galaxias, el gas puede enfriarse".
La evidencia de la formación rápida de estrellas en el Cúmulo Phoenix fue reportada previamente en 2012 por un equipo dirigido por McDonald. Pero se necesitaron observaciones más profundas para conocer detalles sobre el papel del agujero negro central en el renacimiento de las estrellas en la galaxia central, y cómo eso podría cambiar en el futuro.
Al combinar observaciones largas en rayos X, luz óptica y de radio, los investigadores obtuvieron una mejora de diez veces en la calidad de los datos en comparación con las observaciones anteriores. Los nuevos datos de Chandra revelan que el gas caliente se está enfriando casi al ritmo esperado en ausencia de energía inyectada por un agujero negro. Los nuevos datos del Hubble muestran que alrededor de 10 mil millones de masas solares de gas frío están ubicadas a lo largo de los filamentos que conducen hacia el agujero negro, y las estrellas jóvenes se están formando a partir de este gas frío a una velocidad de aproximadamente 500 masas solares por año. En comparación, las estrellas se están formando en la Vía Láctea a una velocidad de aproximadamente una masa solar por año.
Los datos de radio del VLA revelan chorros que salen disparados desde las proximidades del agujero negro central. Estos chorros probablemente inflaron burbujas en el gas caliente que se detectan en los datos de Chandra. Tanto los chorros como las burbujas son evidencia del rápido crecimiento pasado del agujero negro. Al principio de este crecimiento, es posible que el agujero negro haya sido de menor tamaño, en comparación con la masa de su galaxia anfitriona, lo que permitiría que el enfriamiento rápido no se controle.
"En el pasado, los estallidos del agujero negro de tamaño insuficiente pueden haber sido simplemente demasiado débiles para calentar su entorno, lo que permitió que el gas caliente comenzara a enfriarse", dijo el coautor Matthew Bayliss, quien fue investigador en el MIT durante este estudio, pero recientemente se unió a la facultad de la Universidad de Cincinnati. "Pero a medida que el agujero negro se ha vuelto más masivo y más poderoso, su influencia ha ido en aumento".
El enfriamiento puede continuar cuando el gas se aleja del centro del cúmulo por los estallidos del agujero negro. A una mayor distancia de la influencia de calentamiento del agujero negro, el gas se enfría más rápido de lo que puede retroceder hacia el centro del cúmulo. Este escenario explica la observación de que el gas frío se encuentra alrededor de los bordes de las cavidades, basado en una comparación de los datos de Chandra y Hubble.
Eventualmente, el estallido generará suficientes turbulencias, ondas de sonido y ondas de choque (similares a las explosiones sónicas producidas por aviones supersónicos) para proporcionar fuentes de calor y evitar un mayor enfriamiento. Esto continuará hasta que cese el estallido y pueda reiniciarse la acumulación de gas frío. Entonces puede repetirse todo el ciclo.
"Estos resultados muestran que el agujero negro ha estado ayudando temporalmente en la formación de estrellas, pero cuando se fortalece, sus efectos comenzarán a imitar los de los agujeros negros en otros cúmulos, sofocando más el nacimiento de estrellas", dijo el coautor Mark Voit de Michigan. Universidad Estatal de East Lansing, Michigan.
La falta de objetos similares muestra que los cúmulos y sus enormes agujeros negros atraviesan la fase de formación rápida de estrellas con relativa rapidez.
Un artículo que describe estos resultados se publicó en una edición reciente de The Astrophysical Journal, y hay una versión preliminar disponible en línea .
El Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA administra el programa Chandra. El Centro de Rayos X Chandra del Observatorio Astrofísico Smithsoniano controla las operaciones científicas y de vuelo desde Cambridge y Burlington, Massachusetts. El telescopio espacial Hubble de la NASA es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA. El Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial de AURA en Baltimore, Maryland, lleva a cabo las operaciones científicas del Hubble. El Observatorio Nacional de Radioastronomía es una instalación de la National Science Foundation, operada bajo un acuerdo cooperativo por Associated Universities, Inc.
Crédito de la imagen: Rayos X: NASA / CXC / SAO / G.Schellenberger et al .; Óptico: SDSS
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