¿Cuál es la relación que tienen los agujeros negros con sus galaxias?

• Título del artículo original: Revealing Hidden Substructures in the M–σ Diagram, and Refining the Bend in the L–σ Relation
• Autores: Nandini Sahu, Alister W. Graham, y Benjamin L. Davis
• Institución del primer autor: Swinburne University of Technology
• Estado del artículo I: Enviado a ApJ

Los agujeros negros representan gran parte de la composición de una galaxia. A pesar de que muchos andan rondado por la galaxia, algunos se ubican justo en el centro de la galaxia que los hospeda. Esos agujeros con masas hasta de mil millones la masa de nuestra estrella andan consumiendo grandes cantidades de materia estelar y gaseosa. Es tanto el consumo que astrónomas y astrónomos estudian detalladamente las tasas a las que los agujeros negros masivos acretan material alrededor de ellos (ver agujeros negros que despedazan estrellas ).

La forma en como estos agujeros negros adquieren sus gran masas estelares es un misterio. Es posible que algunos de los agujeros negros de hoy en día sean agujeros negros primordiales (ver ¿Podría haber suficientes agujeros negros primordiales? ), los cuales fueron formados en regiones de alta densidad al colapsar gravitacionalmente poco después de la expansión acelerada de nuestro universo. Estos agujeros negros pudieron adquirir sus masas fusionándose con varios agujeros negros. Mucha de esta información la sabemos gracias a los resultados de simulaciones numéricas. Algunas de estas simulaciones recientemente se han combinado con observaciones de ondas gravitacionales para saber más sobre cómo las colisiones entre agujeros negros podrían contribuir al incremento de la masa de los supermasivos. Hasta hace poco, nunca habíamos observado directamente una imagen de un agujero negro, pero gracias a la colaboración de varias instituciones alrededor de nuestro planeta con acceso a radio telescopios (Event Horizon Telescope por sus siglas en inglés), astrónomas y astrónomos pudieron producir la primera imagen directa del agujero negro masivo en el centro de la galaxia M87 (Figura 1).

Figura 1. Primer observación directa de un agujero negro supermasivo ubicado en el centro de la galaxia M87 (Event Horizon Telescope).

Sin duda, los agujeros negros dan mucho de que hablar. Es tanto así, que astrónomas y astrónomos se preguntan si existe una relación entre los agujeros negros masivos y sus galaxias huéspedes, especialmente en la parte central de la galaxia donde la densidad de estrellas es mayor. Fue así que surgió la famosa relación M-σ, la cual representa una correlación entre la masa del agujero negro central y la dispersión de velocidad estelar σ en la region con alta densidad estelar de una galaxia. La dispersión de velocidad se refiere al rango de velocidades en relación con la velocidad media proveniente de cálculos tomados (usando espectroscopia generalmente) de galaxias, cúmulos de galaxias, supercúmulos, entre otros. Lo impresionante de esta relación es que la dispersión de la correlación es muy fina, aunque varios estudios no concuerdan con la pendiente de la línea calculada.

En este artículo de investigación, las y los autores estudian la relación M-σ en galaxias de tipo temprano (o por sus siglas en inglés ETGs, que son sinónimo de galaxias elípticas) y galaxias de tipo tardío (o por sus siglas en inglés LTGs, que son sinónimo de galaxias espirales). ¿Es la relación M-σ dependiente del tipo de galaxia?

Figura 2. La masa de agujeros negros vs. la dispersión de velocidad en galaxias de tipo temprano (o por sus siglas en inglés ETGs, que son sinónimo de galaxias elípticas, puntos rojos) y galaxias de tipo tardío (o por sus siglas en inglés LTGs, que son sinónimo de galaxias espirales, puntos azules). Las líneas (rojo y azul) son líneas de ajuste usadas con los datos respectivos a sus colores. Agujeros negros masivos tienen alta dispersión de velocidad (Sahu 2019).

La Figura 2 muestra la correlación entre la masa de agujeros negros con la dispersión de velocidad para diferentes tipos de galaxias. En general, entre más masivos los agujeros negros son, más dispersión de velocidad en la region con alta densidad estelar de la galaxia tendrá. También, podemos ver que las galaxias de tipo temprano y tardío siguen una línea de ajuste muy similar, indicando que la relación M-σ no varia mucho con respecto al tipo de galaxia. Como referencia, la Vía Láctea tiene un agujero negro supermasivo que es cuatro millones la masa de nuestro sol, o alrededor de 6 en escalas logarítmicas. Con esta información, podemos asumir un rango (entre 1.8 y 2.1 km/s) de dispersión de velocidad que nuestra galaxia tiene, tomando en cuenta esta relación M-σ.

Las y los autores también se preguntaron en saber si la línea de ajuste cambiaría si usaban todos los datos sin distinguir el tipo de galaxia. Además de eso, se preguntaban si las galaxias que tienen un núcleo galáctico activo (o por sus siglas en inglés, AGN) pueden seguir una relación M-σ diferente a galaxias sin AGN.

Figura 3. La masa de agujeros negros vs. la dispersión de velocidad en todas las galaxias, sin distinguir su tipo (verde). Los puntos muestran datos de los tipos de galaxias. En especial, los puntos amarillos muestran galaxias con un núcleo galáctico activo (o por sus siglas en inglés, AGN). Galaxias con o sin AGN siguen una relación M-σ muy similar (Sahu 2019).

La Figura 3 muestra la masa de agujeros negros en función de la dispersión de velocidad para todas las galaxias. La línea de ajuste en verde es calculada usando todas las galaxias, sin saber si algunas son del tipo temprano o tardío. Los puntos amarillos muestran galaxias con un AGN. Podemos ver que la línea de ajuste es muy similar a la de la figura 2. En general, los cambios son muy pocos cuando se distingue entre las galaxias del tipo temprano y tardío, indicando nuevamente que estas galaxias siguen la misma relación M-σ. Además, galaxias con AGN están distribuidas casi uniformemente cerca de la línea de ajuste (línea verde). Esto nos dice que las galaxias con o sin AGN siguen una relación M-σ muy similar.

La relación M-σ nos da la oportunidad de aprender más sobre la conexión que hay entre los agujeros negros y sus galaxias, especialmente la región de alta densidad con varias estrellas de distintas edades (generalmente en el centro de las galaxias). Los resultados de este artículo los podemos resumir de la siguiente forma:

• La relación M-σ representa una correlación entre la masa de los agujero negro y la dispersión de velocidad estelar σ en la region con alta densidad estelar de una galaxia.
• Los agujeros negros masivos tienen alta dispersión de velocidad.
• En general, galaxias de tipo temprano (elípticas) y tardío (espirales) siguen una relación M-σ muy similar.
• Las galaxias con o sin AGN siguen una relación M-σ muy similar.