Cuando chocan tres galaxias, ¿qué sucede con los enormes agujeros negros en el centro de cada una? Un nuevo estudio que utiliza el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y varios otros telescopios revela nueva información sobre cuántos agujeros negros están creciendo furiosamente después de estos aplastamientos galácticos.
Los astrónomos quieren aprender más sobre las colisiones galácticas porque las fusiones posteriores son una forma clave en que las galaxias y los agujeros negros gigantes en sus núcleos crecen a lo largo del tiempo cósmico.
"Se han realizado muchos estudios sobre lo que sucede con los agujeros negros supermasivos cuando dos galaxias se fusionan", dijo Adi Foord de la Universidad de Stanford, quien dirigió el estudio. "La nuestra es una de las primeras en analizar sistemáticamente lo que les sucede a los agujeros negros cuando se juntan tres galaxias".
Ella y sus colegas identificaron los sistemas de fusión de galaxias triples al comparar los archivos, que contienen datos que ahora están disponibles públicamente, de la misión WISE de la NASA y el Sloan Digital Sky Survey (SDSS) con el archivo Chandra. Usando este método, encontraron siete fusiones de galaxias triples ubicadas entre 370 millones y mil millones de años luz de la Tierra.
Usando software especializado desarrollado por Foord para su Ph.D. en la Universidad de Michigan en Ann Arbor, el equipo analizó los datos de Chandra dirigidos a estos sistemas para detectar fuentes de rayos X que marcan la ubicación de los agujeros negros supermasivos en crecimiento. A medida que el material cae hacia un agujero negro, se calienta a millones de grados y produce rayos X.
Chandra, con su aguda visión de rayos X, es ideal para detectar crecientes agujeros negros supermasivos en fusiones. Las fuentes de rayos X asociadas son difíciles de detectar porque generalmente están muy juntas en las imágenes y, a menudo, son débiles. El software de Foord se desarrolló específicamente para encontrar tales fuentes. Luego, se utilizaron datos de otros telescopios para descartar otros posibles orígenes de la emisión de rayos X no relacionados con los agujeros negros supermasivos.
Los resultados de Foord y el equipo muestran que de siete fusiones de galaxias triples, hay una con un solo agujero negro supermasivo en crecimiento, cuatro con agujeros negros supermasivos de doble crecimiento y una que es triple. La triple fusión final que estudiaron parece haberse producido sin que se detectaran emisiones de rayos X de los agujeros negros supermasivos. En los sistemas con múltiples agujeros negros, las separaciones entre ellos oscilan entre unos 10.000 y 30.000 años luz.
"¿Por qué nos preocupamos por el porcentaje de impactos de estos agujeros negros?" dijo la coautora Jessie Runnoe de la Universidad de Vanderbilt en Nashville, Tennessee. "Porque estas estadísticas pueden decirnos más sobre cómo crecen los agujeros negros y las galaxias en las que habitan".
Una vez que encontraron evidencia de fuentes de rayos X brillantes como candidatos para el crecimiento de agujeros negros supermasivos en los datos de Chandra, los investigadores incorporaron datos de archivo de otros telescopios. Como un segundo árbitro que consulta sobre la decisión original, estos datos respaldaron la idea de que había múltiples agujeros negros presentes en las galaxias fusionadas.
Para realizar estas llamadas, los autores estudiaron datos infrarrojos de la misión WISE, el satélite astronómico infrarrojo y el telescopio celeste de dos micrones para ver qué tan rápido se están formando las estrellas en las diferentes galaxias en su estudio. Esto les permitió estimar cuántos de los rayos X detectados probablemente provengan de sistemas emisores de rayos X que contienen estrellas masivas, en lugar de un agujero negro supermasivo en crecimiento. Debido a que estos sistemas estelares son jóvenes, son más comunes cuando las estrellas se forman más rápidamente. Foord y sus colegas utilizaron esta técnica para concluir que una de las fuentes de rayos X que encontraron probablemente provenga de una colección de sistemas estelares emisores de rayos X.
Los datos de Chandra y WISE muestran que el sistema con agujeros negros supermasivos en crecimiento tiene la mayor cantidad de polvo y gas. Esto coincide con las simulaciones teóricas por computadora de fusiones que sugieren que los niveles más altos de gas cerca de los agujeros negros tienen más probabilidades de desencadenar un rápido crecimiento de los agujeros negros.
Los estudios de fusiones triples pueden ayudar a los científicos a comprender si los pares de agujeros negros supermasivos pueden acercarse tan cerca unos de otros que crean ondas en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales. La energía perdida por estas ondas hará que los agujeros negros se fusionen inevitablemente.
El Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) y la matriz Virgo en Europa han demostrado a los astrónomos que los agujeros negros de masa estelar crean ondas gravitacionales y se fusionan, pero no se sabe si los agujeros negros supermasivos lo hacen.
"Hay un" escenario de pesadilla "en el que los agujeros negros supermasivos no pueden perder suficiente energía para acercarse y crear ondas gravitacionales", dijo el coautor Michael Koss de Eureka Scientific en Oakland, California. “Si este es el caso, proyectos como LISA y matrices de temporización de púlsar no tendrán ninguna fusión de agujeros negros supermasivos para detectar”.
Sin embargo, las interacciones gravitacionales de un tercer agujero negro supermasivo pueden evitar este proceso de estancamiento. Por lo tanto, los estudios de agujeros negros supermasivos en sistemas donde se fusionan tres galaxias son importantes para comprender si el escenario de pesadilla podría aplicarse.
El sistema con tres agujeros negros supermasivos en crecimiento había sido informado previamente por Ryan Pfeifle de la Universidad George Mason en Fairfax, Virginia en un comunicado de prensa de Chandra y un artículo de octubre de 2019 en The Astrophysical Journal (preimpresión aquí ), y un equipo dirigido por Xin Lui de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign en un artículo de diciembre de 2019 en The Astrophysical Journal (preimpresión aquí ). Este último resultado ayuda a poner ese descubrimiento en el contexto de otras fusiones triples de galaxias.
Foord presentó el nuevo estudio en la 237 ª reunión de la Sociedad Astronómica Americana, que se celebra prácticamente, del 11-15 de enero de 2021. Los dos documentos que describen este trabajo han sido recientemente aceptado para su publicación en The Astrophysical Journal y impresiones previas están disponibles aquí y aquí .
El satélite astronómico infrarrojo es una empresa conjunta de la NASA y sus contrapartes en los Países Bajos y el Reino Unido, y el telescopio Two Micron All Sky es una colaboración entre la Universidad de Massachusetts y el Centro de análisis y procesamiento de infrarrojos de la NASA.
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. de Michigan / A. Foord et al .; Óptico: SDSS y NASA / STScI
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