Finalmente han capturado los rayos gamma de flujos de salida ultrarrápidos en los agujeros negros

La concepción de un artista de un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia que arroja chorros (que se muestra en naranja), así como a través de salidas ultrarrápidas de gas ionizado (que se muestra en gris / azul). Los científicos han publicado una nueva observación directa de los rayos gamma de estos flujos ultrarrápidos de los agujeros negros. Crédito: Imagen cortesía de ESA / AOES Medialab
La concepción de un artista de un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia que arroja chorros (que se muestra en naranja), así como a través de salidas ultrarrápidas de gas ionizado (que se muestra en gris / azul). Los científicos han publicado una nueva observación directa de los rayos gamma de estos flujos ultrarrápidos de los agujeros negros. Crédito: Imagen cortesía de ESA / AOES Medialab

Los hallazgos podrían mejorar la comprensión del papel de los flujos de salida ultrarrápidos en la evolución de las galaxias.

Cuando los agujeros negros supermasivos tienen rabietas, en las galaxias se sienten y toman nota.

Un grupo de científicos anunció que habían detectado los rayos gamma de un fenómeno conocido como flujo de salida ultrarrápido, un viento poderoso lanzado desde muy cerca de un agujero negro supermasivo, por primera vez. Los científicos creen que estas salidas juegan un papel importante en la regulación del crecimiento del propio agujero negro y de su galaxia anfitriona.

Utilizando datos recopilados por el Telescopio de Área Grande a bordo del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA y una técnica de apilamiento que combina señales demasiado débiles para ser observadas por sí mismas, los investigadores detectaron rayos gamma de flujos de salida ultrarrápidos en varias galaxias cercanas. 

El equipo, que incluye a científicos de la Universidad de Chicago , la Universidad de Clemson, el Colegio de Charleston y muchos otros, publicó los resultados el 10 de noviembre de 2021 en The Astrophysical Journal.

Los resultados, dijeron, deberían ayudarnos a comprender lo que sucedió cuando nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, se formó y creció.

“Nuestras observaciones de rayos gamma muestran cómo los agujeros negros supermasivos pueden transferir una gran cantidad de energía a su galaxia anfitriona”, dijo Chris Karwin, becario postdoctoral en la Universidad de Clemson y líder del estudio. “Aunque estos vientos son difíciles de detectar, se cree que juegan un papel importante en cómo crecen un agujero negro masivo y la propia galaxia anfitriona”.

Vientos tipo tsunami

Cada galaxia tiene un agujero negro supermasivo en su centro. Algunos están inactivos. Otros, llamados núcleos galácticos activos, están activos, lo que significa que atraen y “tragan” la materia circundante.

Pero contrariamente a la suposición popular, los agujeros negros no se comen literalmente todo lo que se encuentra cerca de ellos. “Los agujeros negros son como poderosas aspiradoras que expulsan parte de la suciedad que se les acerca en lugar de aspirar todo”, dijo Marco Ajello, profesor asociado de la Universidad de Clemson, que codirige el estudio. “Estas eyecciones, que son vientos similares a los de un tsunami, están hechas de gas altamente ionizado”.

Cuando este gas interactúa con la materia que existe entre los sistemas estelares, crea poderosas ondas de choque. De esta manera, los agujeros negros transfieren una enorme cantidad de energía a sus galaxias anfitrionas, explicó Karwin.

“Estos flujos de salida ultrarrápidos actúan como un pistón y en realidad aceleran las partículas cargadas, conocidas como rayos cósmicos, hasta cerca de la velocidad de la luz”, dijo.

Estos rayos cósmicos continúan chocando con partículas en la galaxia anfitriona, produciendo eventualmente los rayos gamma que los científicos detectaron.

Esa emisión de rayos gamma codifica una tonelada de información. Eso incluye cómo evolucionó, cómo acelera los rayos cósmicos y cómo interactúa con el material en la galaxia anfitriona .

 Rebecca Diesing, estudiante graduada de UChicago, coautora del estudio

El profesor Damiano Caprioli del Departamento de Astronomía y Astrofísica de la U. de Chicago, desarrolló técnicas de modelado computacional de vanguardia para calcular cómo las partículas pueden acelerarse en entornos astrofísicos, especialmente en las poderosas ondas de choque producidas por los vientos, y cómo se produce tal efecto. Las partículas energéticas emiten rayos gamma. En conjunto, esta información ayuda a comprender cómo evolucionan estos flujos de salida ultrarrápidos.

Estos flujos de salida afectan a las galaxias que los rodean de múltiples formas. Por ejemplo, los científicos piensan que estos flujos de salida ultrarrápidos inyectan energía en la galaxia, lo que rompe las nubes de gas que de otro modo podrían formarse estrellas y alimentar el agujero negro supermasivo. “Esto se convierte en un proceso de autorregulación, que vincula físicamente los agujeros negros supermasivos con sus galaxias anfitrionas, lo que hace que crezcan juntos”, dijo Diesing.

“El agujero negro en el centro de la galaxia y la propia galaxia tienen un mecanismo para crecer juntos en masa, y este es el mecanismo”, dijo Ajello.

Entendiendo la Vía Láctea

Los hallazgos del estudio podrían ayudar a los científicos a comprender lo que sucedió en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea.

Sagitario A es el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea con aproximadamente cuatro millones de veces la masa del sol. Extendiéndose por encima y por debajo del disco de la Vía Láctea hay “burbujas de Fermi”, enormes estructuras redondas de gas caliente que emanan del centro galáctico. (Se llaman burbujas de Fermi porque el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, la fuente de los datos en el estudio actual, las descubrió en 2010).

“Hoy en día, nuestro agujero negro, Sagitario A, no está activo, pero es posible que estuviera activo en el pasado reciente, tal vez hasta hace unos cientos de años”, dijo Karwin. “Nuestro modelo respalda la hipótesis de que estas burbujas de Fermi pueden ser restos de una actividad pasada similar a un flujo de salida ultrarrápido del agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia”.

Ajello dijo que el trabajo futuro incluye el estudio de galaxias que han tenido vientos de salida ultrarrápidos activos durante decenas de millones de años que ya han viajado a las afueras de la galaxia.

Referencia: “Gamma Rays from Fast Black-hole Winds.” by M. Ajello, L. Baldini, J. Ballet, G. Barbiellini, D. Bastieri, R. Bellazzini, A. Berretta, E. Bissaldi, R. D. Blandford, E. D. Bloom, R. Bonino, P. Bruel, S. Buson, R. A. Cameron, D. Caprioli, R. Caputo, E. Cavazzuti, G. Chartas, S. Chen, C. C. Cheung, G. Chiaro, D. Costantin, S. Cutini, F. D’Ammando, P. de la Torre Luque, F. de Palma, A. Desai, R. Diesing, N. Di Lalla, F. Dirirsa, L. Di Venere, A. Domínguez, S. J. Fegan, A. Franckowiak, Y. Fukazawa, S. Funk, P. Fusco, F. Gargano, D. Gasparrini, N. Giglietto, F. Giordano, M. Giroletti, D. Green, I. A. Grenier, S. Guiriec, D. Hartmann, D. Horan, G. Jóhannesson, C. Karwin, M. Kerr, M. Kovacevic, M. Kuss, S. Larsson, L. Latronico, M. Lemoine-Goumard, J. Li, I. Liodakis, F. Longo, F. Loparco, M. N. Lovellette, P. Lubrano, S. Maldera, A. Manfreda, S. Marchesi, L. Marcotulli, G. Martí-Devesa, M. N. Mazziotta, I. Mereu, P. F. Michelson, T. Mizuno, M. E. Monzani, A. Morselli, I. V. Moskalenko, M. Negro, N. Omodei, M. Orienti, E. Orlando, V. Paliya, D. Paneque, Z. Pei, M. Persic, M. Pesce-Rollins, T. A. Porter, G. Principe, J. L. Racusin, S. Rainò, R. Rando, B. Rani, M. Razzano, A. Reimer, O. Reimer, P. M. Saz Parkinson, D. Serini, C. Sgrò, E. J. Siskind, G. Spandre, P. Spinelli, D. J. Suson, D. Tak, D. F. Torres, E. Troja, K. Wood, G. Zaharijas and J. Zrake, 10 November 2021, The Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac1bb2

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