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En busca del agujero negro supermasivo perdido

Figura 1. Imagen en luz visible del cúmulo Abell 2661 y su galaxia central BCG. El cúmulo es tan masivo que actúa como un lente gravitacional, distorsionando la imagen de las galaxias en el fondo, formando anillos parciales. Créditos: NASA/Hubble Space Telescope.

Pocas relaciones más íntimas existen en el Universo que la de las galaxias con sus agujeros negros supermasivos centrales. Pese a que aún no es clara como estos últimos se han llegado a formar, parece ser que son esenciales para la evolución de las galaxias que habitan. Por lo general, estos agujeros negros tienen masas que oscilan entre 50.000 de masas solares para las galaxias enanas como RGG 118, a 66.000.000.000 masas solares para los quásares más potentes como TON 618, pasando por un sano intermedio de 4.000.000 masas solares como nuestro propio agujero negro supermasivo o las 6.500.000.000 masas solares de M87.

Por lo general, es el paradigma que todas las galaxias, grandes o pequeñas, presentan evidencia para un agujero negro central correspondiente. Pero este no es el caso de la galaxia más grande del cúmulo Abell 2261 (Figura 1), conocida como Abell 2261 – BCG (Big Cluster Galaxy en inglés). La evidencia parece indicar que Abell 2261 – BCG podría ser huérfana de su agujero negro supermasivo.

El extraño núcleo de Abell 2661 – BCG

Figura 2. Mapa del mejor modelo de intensidad de rayos X de Abell 2661 – BCG, hecho a partir de la observación con Chandra. La cruz roja marca el centro de la galaxia, pero los contornos de intensidad muestran que el centro de el núcleo se separa aproximadamente 200 años luz de él. La distribución en rayos X es muy similar a su distribución en el óptico. Esta asimetría es atribuida al la perturbación dinámica de la postulada fusión galáctica. Créditos: Gültekin et al., 2020.

En la superficie, Abell 2661 – BCG es una típica galaxia elíptica gigante. Conteniendo aproximadamente 10.000 veces más estrellas que la Vía Láctea y con dos veces su diámetro, es la galaxia principal y más masiva del cúmulo Abell 2661. Sin embargo, su núcleo es extraordinariamente grande, con más de 2.000 años luz de diámetro, y se encuentra ligeramente desplazado del centro de la galaxia, como se puede apreciar en la Figura 2.

Los núcleos de las grandes galaxias elípticas vienen típicamente de dos modos. Normalmente, si no ha habido ninguna interacción reciente con otra galaxia vecina (a la escala de ~100 millones de años), la densidad de estrellas aumenta hacia el centro hasta formar una cúspide de densidad en el núcleo, formando un compacto cúmulo estelar alrededor del agujero negro supermasivo. Sin embargo, el paisaje cambia si la galaxia ha sufrido una fusión reciente. En tal caso, la galaxia principal no solamente adquiere las estrellas de la galaxia absorbida, sino que también su agujero negro central, que acaba cayendo hacia el núcleo y siendo fusionado con el agujero negro principal. Pero el viaje de un agujero negro masivo hacia el centro galáctico no es, ni mucho menos, plácido.

Para empezar, el agujero negro absorbido entra en la galaxia con una velocidad inicial propia, lo que implica que en vez de caer directamente hacia el centro, éste entra en órbita a su alrededor. Pero esta situación no puede durar para siempre. Aquí en la Tierra, al lanzar una pelota en la Tierra, ésta sufre fricción debido al impacto con moléculas de aire. De la misma forma, un objecto tan masivo como el agujero negro central de una galaxia absorbida sufre fricción dinámica debido a la interacción gravitatoria con millones de estrellas individuales. Así pues, el agujero negro espirala progresivamente hacia el centro de la galaxia a medida que es relentizado, hasta que se fusiona con el agujero negro principal. Esto tiene grandes consecuencias para el núcleo de la galaxia. De la misma forma que la fricción aquí en la Tierra produce calor, la fricción dinámica transmite la energía cinética del agujero negro hacia el campo de estrellas, incrementando sus velocidades orbitales. En esencia, esto provoca que el cúmulo de estrellas central se expanda como un gas recalentado, convirtiendo la cúspide de densidad en una extensa planicie. En el caso de Abell 2661 – BCG, su núcleo de más de 2.000 años luz de diámetro es uno de los mayores conocidos. 

Así pues, todo parece indicar que un agujero negro supermasivo de tamaño considerable alborotó el núcleo de Abell 2661 – BCG, y se estima que este debería de contener un renovado agujero negro supermasivo con 10.000.000.000 masas solares. Si embargo, éste agujero negro se resiste a ser detectado.

En busca del agujero negro supermasivo de Abell 2661 – BCG

Figura 3. Regiones del núcleo de Abell 2661 – BCG analizadas en Gültekin et al, 2020. Los números 1, 2, 3 y 4 corresponden a los núcleos estelares. La región dentro del círculo rojo es el centro del núcleo, y el cuadrado indica la región de emisión de radio. Créditos de la imagen sin dibujos o números: NASA/Hubble Space Telescope, sacada del Postman et al. ApJ, 2012. Créditos para las localizaciones: Gültekin et al., 2020.

Los agujeros negros supermasivos de galaxias como Abell 2661 – BCG típicamente acretan material de un disco de acrecimiento que los rodea y expulsan jets energéticos (jet = chorro en inglés) en direcciones opuestas. Esto produce una emisión puntual en rayos X y radio que son relativamente fáciles de identificar. Además, los jets suelen impactar el gas en el vecindario inmediato, produciendo también emsión de radio que se difunde por las regiones colindantes.

Los autores del artículo usaron el telescopio de rayos X Chandra para buscar el agujero negro supermasivo en los seis puntos con más posibilidades de albergarlo, todos ellos sñalados en la Figura 3. Estos son cuatro cúmulos estelares en órbita que habitan cerca del centro del núcleo (posiblemente los remanentes de antiguas galaxias absorbidas), el centro del núcleo, y una región con fuerte emisión de radio dentro del núcleo.  Desafortunadamente, los resultados para los cinco primeros puntos fueron inconclusivos, ya que no se encontró radiación en exceso ni fuentes puntuales. Lo mismo se puede decir de la región con emisión de radio, con la adición de que observaciones de radio de la Very Large Array muestran que ésta es emisión sincrotrón  difundida 50 millones de años atrás, y que por lo tanto no está relacionada con ningún agujero negro supermasivo en la actualidad.

Entonces, parece ser que este agujero negro es muy elusivo, si es que está ahí en primer caso.

¿Qué le pasó con al agujero negro? ¿Se lo comió el lobo?

Que no panda el cúnico, hay diversas explicaciones para la aparente desaparición de un agujero negro con millones de masas solares, algunas de ellas con más evidencias que otras. Diversos autores han sugerido que el núcleo podría contener gas neutro (no ionizado) o polvo interestelar, los cuales son fuertes absorbentes de rayos X, y que por lo tanto podría estar ocultando su luz. Sin embargo, la presencia de gas neutro implicaría formación estelar, la cual no es observada ni en Abell 2661 – BCG ni en la mayoría de galaxias elípticas. Por lo tanto, Abell 2661 – BC no debe de contener gas neutro. Además, observaciones en los rangos infrarrojos o ultravioleta no revelan presencia de moléculas de polvo. Así pues, se deduce con seguridad que Abell 2661 – BCG es transparente a los rayos X.

Otra alternativa es que el agujero negro esté ahí, pero en una larga fase de ayuno o acretando de forma que no emita rayos X. La explicación más interesante, sin embargo, es la que propone que el agujero negro quizás ha sido expulsado del núcleo. Esta explicación es plausible ya que en el último tramo de la caída del agujero negro absorbido, los dos agujeros negros se orbitarán el uno al otro emitiendo una gran cantidad de ondas gravitacionales. Debido a la diferencia de masas y de rotación entre los agujeros negros, la emisión de ondas gravitacionales pudo haber sido asimétrica, empujando el agujero negro resultante de la fusión con una velocidad de 1000 km/s, lo que lo podría enviar afuera del núcleo en tan solo 10 millones de años. Este caso también explicaría el tamaño tan anormalmente grande del núcleo, pues el agujero negro fugitivo también habría cedido energía a las estrellas colindantes a través de la fricción dinámica.

En cualquier caso, parece que hay un agujero negro supermasivo para encontrar. Análisis cinemáticos y espectroscópicos hechos a partir de observaciones en el futuro telescopio espacial James Webb serán decisivos para localizarlo, pero para esto tendremos que esperar a su lanzamiento a finales de este año.

Acerca de Miquel Colom i Bernadich

Nacido y criado en Catalunya, mostré mi interés por la astronomía desde bien chiquitito. Estudié física fundamental en la Universidad de Barcelona y redacté mi tesis de grado sobre el crecimiento de las galaxias. Cursé un máster en astronomía y ciencias del espacio en la Universidad de Uppsala, en Suecia, donde practiqué astronomía de neutrinos con la gente del IceCube entre otras cosas. Redacté mi tesis de máster en Berlín sobre astronomía de rayos-X con los telescopios XMM-Newton y eROSITA, y ahora soy estudiante doctoral en Instituto Max Planck por la Radioastronomía en Bonn, Alemania. Mi tarea actual es cazar y analizar radiopúlsares, estrellas de neutrones magnetizadas con altas frequencias de rotación, con los radiotelescopios de MeerKAT y Parkes. En mi tiempo libre soy un gamer, lector y excursionista. Me interesa mucho la historia moderna también.

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