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El misterioso origen de los agujeros negros supermasivos (parte 2)

Figura 1: Galaxia enana NGC 5264. Crédito: European Space Agency/Hubble Space Telescope.

Nota: Este astrobito es la segunda parte de una entrega anterior, que se puede consultar aquí. Recomendamos repasarla antes de seguir adelante, pues utilizaremos conceptos que en ella se explican. Además te recomendamos este otro astrobito muy estrechamente relacionado con el tema que nos ocupa.

Como vimos en el astrobito anterior, los agujeros negros de masa intermedia (IMBHs, por sus siglas en inglés) que habitan en las galaxias enanas (ver figura 1), se consideran candidatos a ser descendientes directos de los agujeros negros semilla que dieron origen a los agujeros negros supermasivos (SMBHs, por sus siglas en inglés). La evolución y crecimiento de galaxias está muy relacionada con la de sus agujeros negros. Se ha propuesto que los IMBH y sus galaxias no llegaron a evolucionar y crecer al tamaño y las masas de las galaxias masivas con sus SMBHs. De ser cierto esto, los IMBHs de las galaxias enanas del universo cercano podrían servir como análogos para estudiar las propiedades que podrían haber tenido las semillas de SMBHs cuando el Universo era muy joven, y que aun no han podido observarse.

También mencionábamos que para explicar la formación de estas semillas se han planteado tres hipótesis: que fueran producto del colapso de estrellas de población III muy masivas, que se formaran al fusionarse agujeros negros más pequeños o estrellas muy masivas en ambientes muy densos, como el interior de cúmulos globulares, o que fueran producto del colapso directo de una nube de gas primigenio muy masiva, sin pasar por la fase de estrella. La evidencia hasta ahora es demasiado ambigua para decantarse definitivamente por una de estas tres hipótesis, aunque en buena parte parece apoyar la hipótesis del colapso directo.

¿Son las galaxias enanas tan poco evolucionadas como se piensa?

Sin embargo algunos estudios han puesto en duda que los IMBHs de las galaxias enanas sean descendientes directos no evolucionados de los agujeros negros semilla. Para empezar, se ha encontrado que las galaxias enanas en promedio han sufrido incluso más colisiones y fusiones que las grandes galaxias (ver figura 2), por lo que sus agujeros negros han podido ser alimentados por el gas proveniente de estas fusiones. En este caso, estos IMBHs serían sustancialmente más masivos que las semillas originales. Si esto realmente es así, sería posible explicar por qué la mayoría de los IMBHs detectados en galaxias enanas hasta ahora, se encuentran en la parte más alta del rango de masas posibles (unas 10⁵ masas solares), cuando se esperaría que la mayoría fueran de baja masa. Normalmente esto se ha atribuido a un sesgo en nuestras observaciones, pero ahora se contempla la posibilidad de que esta distribución de masas sea real.

Figura 2: Las galaxias enanas NGC 4485 y NGC 4490 están en proceso de fusión. Aunque aun están separadas, vemos como su fuerte interacción gravitatoria ya ha estimulado formación estelar muy intensa en ambas, trazada por el color rojizo que emite el hidrógeno ionizado por las estrellas masivas recién formadas. Crédito: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / University of Arizona.

Formación estelar y retroalimentación, dos procesos a tener en cuenta

Además de esto, existen dos procesos internos que regulan la evolución de las galaxias y el crecimiento de agujeros negros. Ambos son procesos relacionados con la retroalimentación. En el caso de la formación estelar, parte del gas que tiene la galaxia se utiliza en formar estrellas, por lo que ya no estaría disponible para alimentar al agujero negro. Además, las estrellas jóvenes muy masivas producen fuertes vientos que pueden hacer que el resto del gas disponible sea expulsado de sus galaxias. Esto es especialmente importante en galaxias enanas debido a que por su baja masa, su gravedad es relativamente débil y es más fácil para estos vientos escapar sin alcanzar mucha velocidad que en una galaxia grande. Al expulsar el gas, la formación estelar que se alimenta de éste se detendría, por lo que la galaxia enana dejaría de formar nuevas estrellas y el agujero negro central tampoco podría seguir creciendo. A esto se le conoce como retroalimentación negativa.

Existe otro proceso de retroalimentación, que ocurre cuando el agujero negro central está activo acretando materia (es decir, cuando tenemos un núcleo galáctico activo, o AGN por sus siglas en inglés). Por diferentes mecanismos como la enorme presión de radiación o la presencia de chorros relativistas, estos AGN pueden producir vientos (llamados outflows en inglés; mira este, este y este otro astrobito para aprender más sobre ellos) que pueden alcanzar velocidades de miles de kilómetros por segundo. Los vientos generados por los AGN son capaces de barrer el gas que contiene la galaxia y expulsarlo de esta (ver figura 3), de forma aun más eficiente de lo que lo hace la formación estelar. De esta forma ocurre el mismo efecto: al expulsar el gas, tanto el AGN como la formación estelar se quedan sin combustible y su actividad se detiene, incluidos los vientos que producen. Por tanto también podemos tener retroalimentación negativa gracias a la actividad del mismo agujero negro.

Figura 3: Aunque no es una galaxia enana, la galaxia Circinus es uno de los más claros ejemplos de vientos (outflows) producidos por un AGN. En color morado se pueden ver grandes cantidades de gas ionizado expulsado fuera del plano galáctico por estos vientos. Crédito: NASA, Andrew S. Wilson U.Maryland; Patrick L. Shopbell CIT; Chris Simpson Subaru; Thaisa Storchi-Bergmann and F. K. B. Barbosa, UFRGS, Brazil; and Martin J. Ward, U. Leicester

Sin embargo para complicar más las cosas, también puede existir la retroalimentación positiva, es decir que los vientos pueden estimular la formación estelar y la actividad del AGN. Se ha encontrado evidencia de formación estelar ocurriendo dentro de vientos producidos por AGN, y también se cree que los vientos producidos por las estrellas son capaces de estimular la formación estelar en otras partes de sus galaxias.

¿Entonces no hay esperanza?

Como vemos, el panorama es muy confuso: entre las fusiones de galaxias aportando nuevo material que puede hacer crecer a los agujeros negros, y los efectos de retroalimentación tanto positiva como negativa regulando la cantidad de material disponible para caer en el agujero negro, no podemos garantizar que los IMBHs que vemos hoy en día en las galaxias cercanas sean remanentes no evolucionados de los agujeros negros semilla.

Sin embargo no todo está perdido. La autora menciona algunas ideas que se han propuesto para solventar este problema: una solución sería estudiar los agujeros negros en galaxias enanas con muy baja metalicidad, es decir que tengan menos de la décima parte de elementos pesados que tiene el Sol. Una galaxia así no ha formado muchas generaciones de estrellas, lo que garantiza que ha tenido muy pocos procesos de retroalimentación, por lo que será muy parecida, tanto ella como su IMBH a los que existían cuando las primeras galaxias se formaron. Un punto a favor es que estas galaxias enanas se encuentran en ambientes con muy pocas galaxias a su alrededor y no presentan signos de que hayan tenido fusiones recientes (lo que en realidad está estrechamente relacionado con que no hayan formado tantas estrellas recientemente).

Otra posibilidad es que la nueva generación de telescopios gigantes en construcción (ver figura 4), así como de telescopios espaciales, mucho más poderosos que los actuales, sea capaz de detectar los verdaderos agujeros negros semilla en el universo lejano, lo que eliminaría la necesidad de buscar análogos en el universo cercano. Finalmente, la detección de ondas gravitacionales ha permitido detectar directamente la colisión de agujeros negros en el límite de los de masa estelar y los IMBHs (varias decenas de masas solares). Las nuevas generaciones de detectores de ondas gravitacionales incluyendo los espaciales, se espera que sean capaces de detectar colisiones de agujeros negros entre cientos y miles de masas solares, justamente las que se espera que tengan los agujeros negros semilla, y estudiar algunas de sus propiedades. Todo indica que gracias a las nuevas y más avanzadas tecnologías, en las próximas décadas por fin seremos capaces de desvelar el misterio de la formación de los agujeros negros supermasivos.

Figura 4: Representación artística del Telescopio Europeo Extremadamente grande, acutalmente en construcción en Chile. Con su espejo principal de 39 metros de diámetro, será el más grande de la próxima generación de telescopios. Este telescopio podría ser capaz de observar directamente las primeras galaxias que se formaron en el universo, y estudiar los agujeros negros semilla. Crédito: European Southern Observatory/L. Calçada.

 

 

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