Hubble encuentra la mejor evidencia para el esquivo agujero negro de tamaño medio.


Esta ilustración muestra un homicidio cósmico en acción. La intensa atracción gravitacional de un agujero negro que contiene decenas de miles de masas solares está destrozando una estrella rebelde. Los restos estelares están formando un disco de acreción alrededor del agujero negro. Las llamaradas de rayos X del disco de gas sobrecalentado alertaron a los astrónomos de la ubicación del agujero negro; de lo contrario acechaba desconocido en la oscuridad. El objeto esquivo se clasifica como un agujero negro de masa intermedia (IMBH), ya que es mucho menos masivo que los agujeros negros monstruosos que habitan en los centros de las galaxias. Por lo tanto, los IMBH son mayormente inactivos porque no atraen tanto material y son difíciles de encontrar. Las observaciones del Hubble proporcionan evidencia de que el IMBH habita dentro de un denso cúmulo estelar. El cúmulo en sí mismo puede ser el núcleo despojado de una galaxia enana. Crédito: NASA, ESA y D. Player (STScI).

Los astrónomos han encontrado la mejor prueba para el autor de un homicidio cósmico: un agujero negro de una clase evasiva conocida como “masa intermedia”, que traicionó su existencia al desgarrar una estrella descarriada que pasó demasiado cerca.

Con una masa de aproximadamente 50.000 veces la de nuestro Sol, el agujero negro es más pequeño que los agujeros negros supermasivos (millones o miles de millones de masas solares) que se encuentran en los núcleos de las galaxias grandes, pero más grande que los agujeros negros de masa estelar formados por el colapso de una estrella masiva.

Estos agujeros negros de masa intermedia (IMBH) son un “eslabón perdido” buscado desde hace mucho tiempo en la evolución de los agujeros negros. Aunque ha habido algunos otros candidatos a IMBH, los investigadores consideran que estas nuevas observaciones son la evidencia más sólida hasta la fecha para agujeros negros de tamaño medio en el Universo.

Se necesitó el poder combinado de dos observatorios de rayos X y la visión aguda del telescopio espacial Hubble de la NASA para caracterizar la bestia cósmica.


Los astrónomos han encontrado la mejor evidencia de un agujero negro de una clase evasiva conocida como “masa intermedia”, que traicionó su existencia al desgarrar una estrella descarriada que pasó demasiado cerca. Este emocionante descubrimiento abre la puerta a la posibilidad de muchos más al acecho sin ser detectados en la oscuridad, esperando ser regalados por una estrella que pasa demasiado cerca.
Créditos: Centro de vuelo espacial Goddard de la NAS
A.

“Los agujeros negros de masa intermedia son objetos muy difíciles de alcanzar, por lo que es fundamental considerar cuidadosamente y descartar explicaciones alternativas para cada candidato. Eso es lo que Hubble nos ha permitido hacer por nuestro candidato”, dijo Dacheng Lin, de la Universidad de New Hampshire, investigador principal del estudio. Los resultados se publicaron el 31 de marzo de 2020 en The Astrophysical Journal Letters.

La historia del descubrimiento se lee como una historia de Sherlock Holmes, que involucra la meticulosa construcción de casos paso a paso necesaria para atrapar al culpable.

Lin y su equipo utilizaron el Hubble para dar seguimiento a las pistas del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y la Misión de Espejos X-Rayos (XMM-Newton) de la ESA (Agencia Espacial Europea). En 2006, estos satélites detectaron una potente llamarada de rayos X, pero no pudieron determinar si se originó dentro o fuera de nuestra galaxia. Los investigadores lo atribuyeron a una estrella que se desgarró después de acercarse demasiado a un objeto compacto gravitacionalmente poderoso, como un agujero negro.

Sorprendentemente, la fuente de rayos X, llamada 3XMM J215022.4−055108, no estaba ubicada en el centro de una galaxia, donde normalmente residirían agujeros negros masivos. Esto aumentó las esperanzas de que un IMBH fuera el culpable, pero primero tuvo que descartarse otra posible fuente de la llamarada de rayos X: una estrella de neutrones en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, que se enfriaría después de calentarse a una temperatura muy alta. Las estrellas de neutrones son los restos aplastados de una estrella explotada.


Esta imagen del telescopio espacial Hubble identificó la ubicación de un agujero negro de masa intermedia, de 50.000 veces la masa de nuestro Sol (haciéndolo mucho más pequeño que los agujeros negros supermasivos encontrados en los centros de las galaxias). El agujero negro, llamado 3XMM J215022.4−055108, se indica con un círculo blanco. El esquivo tipo de agujero negro se identificó por primera vez en una explosión de rayos X reveladores emitidos por el gas caliente de una estrella cuando fue capturado y destruido por el agujero negro. Se necesitaba el Hubble para determinar la ubicación del agujero negro en luz visible. Las imágenes profundas de alta resolución del Hubble muestran que el agujero negro reside dentro de un denso grupo de estrellas que está mucho más allá de nuestra galaxia, la Vía Láctea. El cúmulo estelar se encuentra cerca de la galaxia, en el centro de la imagen. Las galaxias de fondo de aspecto mucho más pequeño aparecen esparcidas alrededor de la imagen, incluida una espiral cara arriba justo encima de la galaxia central en primer plano. Esta foto fue tomada con la cámara avanzada de Hubble para sondeos.
Créditos: NASA, ESA y D. Lin (Universidad de New Hampshire).

Hubble apuntó a la fuente de rayos X para resolver su ubicación precisa. Las imágenes profundas de alta resolución proporcionan pruebas contundentes de que los rayos X no emanaron de una fuente aislada en nuestra galaxia, sino de un cúmulo estelar distante y denso en las afueras de otra galaxia, justo el tipo de lugar que los astrónomos esperaban encontrar IMBH. Investigaciones anteriores del Hubble han demostrado que la masa de un agujero negro en el centro de una galaxia es proporcional a la protuberancia central de esa galaxia anfitriona. En otras palabras, cuanto más masiva es la galaxia, más masivo es su agujero negro. Por lo tanto, el cúmulo estelar que alberga el 3XMM J215022.4−055108 puede ser el núcleo despojado de una galaxia enana de menor masa que ha sido interrumpida gravitacionalmente y por sus interacciones cercanas con su actual anfitrión de galaxia más grande.

Los IMBH han sido particularmente difíciles de encontrar porque son más pequeños y menos activos que los agujeros negros supermasivos; no tienen fuentes de combustible fácilmente disponibles, ni una atracción gravitacional tan fuerte como para atraer estrellas y otros materiales cósmicos que producirían reveladores resplandores de rayos X. Los astrónomos esencialmente tienen que atrapar a un IMBH con las manos en la masa en el momento de engullir una estrella. Lin y sus colegas revisaron el archivo de datos XMM-Newton, buscando cientos de miles de observaciones para encontrar un candidato IMBH.

Este objeto no es el primero en ser considerado un candidato probable para un agujero negro de masa intermedia. En 2009, Hubble se asoció con el observatorio Swift de la NASA y el XMM-Newton de la ESA para identificar lo que se interpreta como un IMBH, llamado HLX-1, ubicado hacia el borde de la galaxia ESO 243-49. También está en el centro de un grupo joven y masivo de estrellas azules que puede ser un núcleo despojado de galaxia enana. Los rayos X provienen de un disco de acreción caliente alrededor del agujero negro. “La principal diferencia es que nuestro objeto está desgarrando una estrella, lo que proporciona pruebas contundentes de que es un agujero negro masivo, en lugar de un agujero negro de masa estelar, ya que la gente a menudo se preocupa por los candidatos anteriores, incluido HLX-1”, dijo Lin.

Encontrar este IMBH abre la puerta a la posibilidad de que muchos más estén al acecho sin ser detectados en la oscuridad, esperando ser regalados por una estrella que pasa demasiado cerca. Lin planea continuar su meticuloso trabajo de detective, utilizando los métodos que su equipo ha demostrado tener éxito. Quedan muchas preguntas por responder. ¿Crece un agujero negro supermasivo de un IMBH? ¿Cómo se forman los propios IMBH? ¿Son los densos cúmulos estelares su hogar favorito?

El telescopio espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore, Maryland, lleva a cabo operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía en Washington, D.C.