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MARVEL + DC = agujeros negros errantes

Crédito de la imagen destacada: Astrobite

Enanas súper poderosas

Se conoce muy bien que, en el mundo cósmico, objetos masivos en grandes escalas tienden a ser más poderosos. Por ejemplo, las galaxias más masivas tienden a tener agujeros negros supermasivos. Sin embargo, ¡observaciones recientes han descubierto que galaxias enanas pueden contener agujeros negros muy masivos (MBHs por sus siglas en inglés)! Mientras que galaxias enanas pesan menos que 1% de nuestra Vía Láctea, ellos pueden contener agujeros negros con peso ~105 masas solares (Sgr A* pesa 4×106 masas solares).

A pesar que muchas galaxias infantes y semillas de agujeros negros existen en el universo con alto corrimiento al rojo, nosotros no somos capaces de poder observar su formación y desarrollo debido a sus bajas luminosidades y largas distancias. Sin embargo, sí que es posible obtener algunas pistas sobre estos mecanismos al estudiar galaxias enanas cercanas. Por ejemplo, los agujeros negros pequeños dentro de estas galaxias enanas representan la parte de masa baja en relaciones de escala (e.g. la relación entre la masa de agujeros negros y la dispersión de velocidades estelares). Esto indica una correlación singular entre los agujeros negros y sus galaxias en las primeras etapas antes de que crezcan. Esto es particularmente extraordinario, ¡ya que es muy probable que estas galaxias enanas contengan más de un agujero negro!

Observaciones recientes del VLA han encontrado una nueva muestra de MBHs en 13 galaxias enanas cercanas (Figura 1). La mitad de ellos están fuera del eje (es decir que se encuentran alrededor de 400 pc lejos del centro de la galaxia) y muchos son clasificados como “errantes” ya que se encuentran en los alrededores de sus galaxias. Este descubrimiento cambia la suposición de que objetos masivos como los MBHs siempre se encuentran en el centro de sus galaxias gracias a la gravedad.

¿Acaso esto implica que casi la mitad de los MBHs en galaxias enanas están fuera de su centro? En el artículo de hoy, los autores usan simulaciones teóricas para probar esta predicción.

Figura 1: Imágenes de 13 galaxias enanas con más evidencia de contener agujeros negros masivos que se encuentran acretando. Estas fotografías son de las Imágenes de la Encuesta del Legado de la Cámara de Energía Oscura. (Crédito: Figura 7 de Reines et al. 2020)

Cuando MARVEL conoce a DC…

Para reproducir a las galaxias enanas que vemos hoy, los autores usan dos series de simulaciones hidrodinámicas de diferentes volúmenes y suposiciones cosmológicas conocidos en inglés como: MARVEL-ous Dwarfs y DC Justice League. En las dos series, los autores comienzan con un medio ambiente frío, con baja densidad de gas molecular para que las estrellas se formen y crezcan. Después, permiten que las semillas de agujeros negros se formen naturalmente a través de un colapso directo cuando su masa es mayor que la masa de Jeans en las regiones densas. Después que las semillas de los agujeros negros se hayan formado, estos crecen al fusionarse con otros agujeros negros y continúan acretando el gas alrededor de ellos.

Figura 2: Imágenes de simulaciones del nacimiento de un agujero negro “errante” a través de fusión de z = 3.43 a z = 1.94. La galaxia pequeña que contiene un MBH central (mostrado con una cruz roja) se fusiona con la galaxia mas grande, resultando en un MBH que se encuentra fuera de centro después de su fusión.

Gracias a las simulaciones, los autores muestran que ~50% de los MBHs se encuentran fuera de centro, lo cual es consistente con previos descubrimientos de observaciones. Es más, estos MBHs fuera de centro tienen masas más pequeñas, pero se encuentran dentro de galaxias enanas con masa estelar más grande, lo cual es un resultado directo de este proceso de fusión.

Una vida errante

Así que, ¿acaso es solo manera de tiempo para que los agujeros negros errantes por fin se asenten hacia la región central? La respuesta es: no.

Después de fusionarse, los núcleos galácticos ya no forman pozos gravitacionales tan hondos y fuertes para poder atrapar a los MBHs errantes en sus centros. Toma más tiempo para que la mayoría de los MBHs fuera de centro regresen a sus centros que la edad del universo, conocido como el tiempo Hubble (relacionado a la constante de Hubble). Sorprendentemente, las fusiones más recientes pueden causar que las MBHs se muevan más lejos que los centros. En otras palabras, debido a que los MBHs empiezan a viajar dentro de sus galaxias, muchos se van a quedar viajando durante toda su vida.

Figura 3: Imágenes de proyecciones de densidad de gas en 2D para una galaxia simulada en t = 0 (a la izquierda) y t = 3 Gyrs (a la derecha). El MBH que se encuentra fuera de centro es marcado con una cruz roja. La banda de colores indica la densidad de gas la cual es muy pequeña alrededor del MBH. Inclusive después de 3 Gyrs, el crecimiento del MBH es muy lento para poder ser detectado.

Dada la cantidad grande de MBHs fuera de centro en sus sistemas de galaxias enanas, es importante observarlos en futuros estudios. Sin embargo, estos MBHs solamente viven en los alrededores, donde el gas es difuso. Así que, los MBH fuera de centro tienen ritmos de acreción muy bajos, resultando en su baja luminosidad. La Figura 3 muestra el desarrollo de un MBH fuera de centro en las simulaciones. Sin embargo, todavía es posible encontrar MBHs indirectamente a través del análisis espectral y las dinámicas de cúmulos estelares nucleares y estrellas brillantes (e.g. eventos de disrupción de marea).

En resumen, los autores del artículo de hoy usan dos series de simulaciones hidrodinámicas llamados MARVEL-ous Dwarfs y DC Justice League. Estas simulaciones apoyan a previos resultados de observaciones y sugieren que casi la mitad de los MBHs dentro de galaxias enanas se encuentran fuera de centro. Al expandir el tamaño de la muestra e incrementando las densidades estelares en futuras simulaciones, los autores podrían obtener mejores predicciones para poder detectar estos MBHs errantes y dar más datos que pueden ser usados para futuras observaciones.

Nota de traducción: al traducir cualquier texto, las traducciones literales no siempre capturan bien el significado de modismos y frases hechas. En casos como este, como traductores hacemos nuestro mejor esfuerzo para mantener el espíritu del artículo original, y no tanto el significado literal de las palabras. También intentamos proporcionar enlaces a conceptos en el idioma traducido en lugar de en el original, siempre que sea posible. De este modo queremos reconocer la naturaleza de nuestras traducciones como una colaboración entre les autores originales y les traductores.

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