Combinando observaciones de rayos X con simulaciones de supercomputadoras de última generación sobre la formación de galaxias a lo largo de la historia cósmica, los investigadores han proporcionado el mejor modelo hasta la fecha de la historia del crecimiento de los agujeros negros supermasivos encontrados en los centros de las galaxias. Utilizando este enfoque híbrido, un equipo de investigación dirigido por astrónomos de Penn State obtuvo una imagen completa de la evolución del agujero negro a lo largo de 12 mil millones de años, desde la edad temprana del universo hasta los 13,8 mil millones de años.
Esta investigación consta de dos artículos, uno publicado en La revista astrofísica en abril de 2024, y uno aún inédito que se enviará a la misma revista. Los resultados se presentarán en la 244ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense, que se celebrará del 9 al 13 de junio en el Centro de Convenciones Monona Terrace en Madison, Wisconsin.
“Los agujeros negros superiores en los centros de las galaxias tienen entre millones y miles de millones de veces la masa del Sol”, dijo Fan Zhou, estudiante graduado de Penn State y primer autor de los artículos. “¿Cómo se convierten en tales monstruos? Es una pregunta que los astrónomos han estado estudiando durante décadas, pero es difícil descubrir todas las formas en que los agujeros negros crecen de manera confiable”.
Los agujeros negros supermasivos crecen mediante una combinación de dos canales principales. Consumen gas frío de sus galaxias anfitrionas (un proceso llamado acreción) y pueden fusionarse con otros agujeros negros masivos cuando las galaxias chocan.
“Durante el proceso de consumir gas de sus galaxias anfitrionas, los agujeros negros emiten fuertes rayos X, y esto es clave para rastrear su crecimiento a partir de la acreción”, dijo el profesor W. Neil Brandt, catedrático de Astronomía y Astrofísica de la familia Eberly. dijo el profesor. Líder del equipo de física e investigación en Penn State. “Medimos la mejora utilizando datos de estudios del cielo con rayos X recopilados de tres de las instalaciones de rayos X más poderosas lanzadas al espacio en más de 20 años”.
El equipo de investigación utilizó datos adicionales del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, la Misión Multiespejo de rayos X Newton (XMM-Newton) de la Agencia Espacial Europea y el telescopio eROSITA del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre. En total, midieron el crecimiento impulsado por la acreción en una muestra de 1,3 millones de galaxias con más de 8.000 agujeros negros en rápida acreción.
“Todas las galaxias y agujeros negros de nuestra muestra están muy bien caracterizados en múltiples longitudes de onda, con excelentes mediciones en las bandas infrarroja, óptica, ultravioleta y de rayos X”, dijo Zhou. “Esto permite obtener resultados sólidos y los datos muestran que, a lo largo de todas las edades cósmicas, las galaxias más masivas acumularon sus agujeros negros más rápidamente”.
Otra forma en que crecen los agujeros negros supermasivos es mediante fusiones, donde dos agujeros negros supermasivos chocan para formar un agujero negro aún más masivo. Para seguir el progreso a través de las fusiones, el equipo utilizó IllustrisTNG, un conjunto de simulaciones de supercomputadoras que modelan la formación, evolución y fusiones de galaxias desde poco después del Big Bang hasta el presente.
“En nuestro enfoque híbrido, combinamos el crecimiento observado mediante acreción con el crecimiento simulado mediante fusiones para reproducir la historia de crecimiento de los agujeros negros supermasivos”, dijo Brandt. “Con este nuevo enfoque, creemos que hemos producido la imagen más realista hasta la fecha de la evolución de los agujeros negros supermasivos”.
Los investigadores descubrieron que, en la mayoría de los casos, el crecimiento de los agujeros negros está dominado por la acreción. Las fusiones hicieron importantes contribuciones secundarias, particularmente a los agujeros negros más masivos de los últimos 5 mil millones de años de tiempo cósmico. En general, todos los agujeros negros masivos crecieron mucho más rápido cuando el universo era más joven. Debido a esto, el número total de agujeros negros supermasivos se fijó hace unos 7 mil millones de años, mientras que muchos nuevos continuaron emergiendo en el universo antes de esa fecha.
“A partir de nuestro enfoque, podemos rastrear cómo los agujeros negros centrales en el universo local han crecido a lo largo del tiempo cósmico”, dijo Zhou. “Por ejemplo, consideramos el crecimiento de un enorme agujero negro en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, que tiene una masa de 4 millones de masas solares”.
Además de Zou y Brandt, el equipo de investigación incluye a Zhibo Yu, un estudiante graduado de Penn State. Hyungsuk Tak, profesor asistente de estadística y astronomía y astrofísica en Penn State; Elena Gallo de la Universidad de Michigan; Bin Luo de la Universidad de Nanjing en China; Kingling Nie del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Alemania; Yong Quanzhou de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China; y Guang Yang de la Universidad de Groningen en Países Bajos.
Este trabajo fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., el Centro de rayos X Chandra y Penn State. Este trabajo también fue posible al compartir los resultados de la simulación de IllustrisTNG con la comunidad científica.
