El agujero negro supermasivo, ese gran desconocido

Hoy vengo a hablarles de agujeros negros. Pero no de los normales sino de los monstruosos: los supermasivos. El agujero negro supermasivo es un enorme pozo gravitatorio que se encuentra en el centro de una gran galaxia. Es noticia que dos investigaciones independientes han observado ciertas particularidades en estos monstruos. La primera de ellas está liderada por Guang Yang, estudiante de postgrado en la Universidad Estatal de Pensilvania (Estados Unidos). La segunda, por Mar Mezcua, investigadora del IEEC (Institut d’Estudis Espacials de Catalunya).

Como una pequeña introducción y antes de entrar en materia, en el primer estudio (Yang, 2017) se descubrió que cuanto mayor es la galaxia, más rápido crece el agujero negro supermasivo en comparación con la tasa de nacimiento de estrellas. En el segundo (Mezcua, 2018) se vio que las masas de agujeros negros supermasivos son aproximadamente 10 veces mayores de lo esperado.

Relación entre galaxia y agujero negro supermasivo

¿Es interesante la relación entre el agujero negro supermasivo y la galaxia que los alberga? La respuesta es sí. Y son dos los motivos principales:

1. Si se pudiese calcular el tamaño de un agujero negro supermasivo basándose en el tamaño de la galaxia que lo alberga, se podrían estimar la masa de otros agujeros negros supermasivos únicamente calculando la masa de la galaxia que los contiene.
2. Cualquier relación constante entre agujero negro supermasivo y galaxia puede ayudar a explicar las leyes que gobiernan la formación de galaxias.

Y ahora profundicemos en los dos estudios…

El crecimiento del agujero negro supermasivo

En el primer estudio, Yang y sus colegas utilizaron datos de más de 30.000 galaxias del sondeo GOODS (Great Observatories Origins Deep Survey). Estos datos se combinaron con observaciones del telescopio espacial Hubble, el observatorio de rayos X Chandra y el telescopio espacial Spitzer. A todos estos datos hay que sumar además los provenientes de más de 500.000 galaxias del sondeo COSMOS.

Impresión artística de un agujero negro supermasivo || Créditos: ESA/NASA, the AVO project and Paolo Padovani (Ampliar imagen).

Analizando esa gran cantidad de galaxias, el equipo de investigación descubrió que cuanto mayor es la galaxia, mayor es la relación entre la tasa de crecimiento de su agujero negro supermasivo y la de nacimiento de estrellas. Un ejemplo: una galaxia de 100.000 millones de MS (masas solares) tiene una tasa de crecimiento de estrellas 10 veces mayor que una galaxia con 10.000 millones de MS.

«Nuestro artículo sugiere que las grandes galaxias pueden alimentar sus agujeros negros con mayor efectividad que las galaxias pequeñas. Sin embargo, sigue siendo un misterio si los agujeros negros pueden afectar la formación de galaxias», explica Yang (Pappas, 2018).

Agujeros negros supermasivos más grandes de lo esperado

El segundo estudio, que se publicará en abril, mostró que cuanto mayor es la galaxia, más extraña se vuelve su relación con su agujero negro supermasivo. La investigación se centró en 72 galaxias próximas analizadas con el observatorio espacial Chandra, ATCA (Australia Telescope Compact Array), Karl G. Jansky Very Large Array y VLBA (Very Long Baseline Array). Con ello los investigadores compararon las masas de los agujeros negros supermasivos con las obtenidas en base a métodos tradicionales.

El equipo de investigadores descubrió que los agujeros negros supermasivos del estudio eran 10 veces más grandes que lo que indicaban los métodos tradicionales. De hecho, algunos de ellos dejaron de ser calificados como agujeros negros supermasivos para pasar a ser agujeros negros ultramasivos. La diferencia: unos registran unos pocos miles de millones de MS mientras que los otros llegan incluso a 40.000 millones de MS.

Representación artística que muestra el evento de interrupción de marea llamado ASASSN-14li donde una estrella que merodea demasiado cerca de un agujero negro de 3 millones de masas solares fue destrozada. Los restos se precipitaron hasta el disco de acreción del agujero negro || Creditos: NASA’s Goddard Space Flight Center (Más información).

Antes de esto nadie sabía que las galaxias analizadas por este estudio pudiesen contener estos enormes agujeros negros supermasivos. Todo apunta a que cuanto más grande es la galaxia, más grandes es el agujero negro supermasivo, tal y como también concluyen en el estudio de Yang.

Y podría terminar aquí, pero quiero hablarles de un proyecto que también tiene por objetivo estudiar los agujeros negros supermasivos y una de sus consecuencias.

El proyecto POLAMI

Les hablaré ahora de un efecto que producen los agujeros negros supermasivos. Se trata de los AGN (Núcleos Activos de Galaxias), los eventos más energéticos del universo. Imaginen toda la energía que emiten la totalidad de las estrellas de nuestra galaxia. Un AGN puede emitir toda esa energía. Del AGN emergen dos chorros de partículas a una velocidad extremadamente alta. Y remarco lo de «extremadamente» ya que las velocidades que alcanzan están próximas a la de la luz.

Representación artística de un agujero negro supermasivo con los dos chorros de material que viajan casi a la velocidad de la luz || Créditos: NASA/CXC/SAO, Optical: NASA/STScI, Radio: NSF/NRAO/VLA (Ampliar).

Puestos ya en contexto, el proyecto POLAMI (Polarimetric Monitoring of AGN at Millimeter Wavelengths) se puso en marcha en 2006 como un pequeño proyecto de un grupo de investigadores del IAA-CSIC (Instituto de Astrofísica de Andalucía) e IRAM (Institut de Radioastronomie Millimétrique).

Con el tiempo se ha ido convirtiendo en una colaboración internacional consolidada. Ya han aparecido en numerosas publicaciones colaborativas. Sin embargo, los resultados que ahora se publican (Agudo, 2018-1; Agudo, 2018-2; Thum, 2018) son las primeras que analizan únicamente datos obtenidos con POLAMI sobre 37 núcleos activos.

Resolver los misterios de los AGN

Estos datos permitirán esclarecer ciertas incertidumbres alrededor de los AGNs. ¿Cuáles son estas dudas? Iván Agudo, investigador del IAA-CSIC y cabeza del proyecto nos lo aclara: «Desconocemos la composición del material de los chorros o qué modelo explica mejor los procesos que subyacen en su formación, aceleración y colimación, y una de las vías para responder a estas preguntas reside en estudiar estos objetos en luz milimétrica polarizada».

¿A qué conclusiones se han llegado? Todo indica a que el disco de materia que alimenta el agujero negro supermasivo está en rotación. Esto provoca que las líneas del campo magnético estén enrolladas lo que motiva la aceleración de las partículas. Con todo esto, POLAMI marca un punto de partida para estudiar de manera diferente y más minuciosa los AGN y la composición de los chorros de materia.

Y con esto sí que termino. Les felicito si han conseguido llegar hasta aquí. Pero ante todo, espero que ahora conozcan un poco mejor los agujeros negros supermasivos, cómo crecen y qué efectos producen. Y también que conozcan el proyecto POLAMI, un proyecto español que está investigando los eventos más energéticos del universo.

Referencias

• Agudo, I. et al. (2018-1). «POLAMI: Polarimetric Monitoring of Active Galactic Nuclei at Millimetre Wavelengths – III. Characterization of total flux density and polarization variability of relativistic jets». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 473, 1850 – 1867. DOI: 10.1093/mnras/stx2437 (Ver).
• Agudo, I. et al. (2018-2). «POLAMI: Polarimetric Monitoring of AGN at Millimetre Wavelengths – I. The programme, calibration and calibrator data products». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 474, 1427 – 1435. DOI: 10.1093/mnras/stx2435 (Ver).
• Mezcua, M. et al (2018). «The most massive black holes on the Fundamental Plane of Black Hole Accretion». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, arXiv:1710.10268 (Ver).
• Pappas, S. (2018). «Are Supermassive Black Holes Going to Eat the Universe?» LiveScience (Ver).
• Thum, C. et al. (2018). «POLAMI: Polarimetric Monitoring of Active Galactic Nuclei at Millimetre Wavelengths – II. Widespread circular polarization». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 473, 2506 – 2520 DOI: 10.1093/mnras/stx2436 (Ver).
• Yang, G. et al (2017). «Linking black-hole growth with host galaxies: The accretion-stellar mass relation and its cosmic evolution». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 475, Iss. 2, pages 1887 – 1911, . DOI: 10.1093/mnras/stx2805 (Ver).