Una ilustración muestra un agujero negro supermasivo en rotación.(Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
Los científicos han descubierto que algunos agujeros negros supermasivos giran mucho más rápido de lo esperado. El descubrimiento es el resultado de una nueva forma de «arqueología de agujeros negros» que relaciona los giros de los agujeros negros con el gas y el polvo que han consumido para crecer a lo largo de 7.000 millones de años de historia cósmica.
Los hallazgos, cortesía del Sloan Digital Sky Survey (SDSS) sugieren algunas cosas. En primer lugar, el universo primitivo podría haber estado más ordenado de lo que se sospechaba. Y en segundo lugar, el crecimiento de los agujeros negros supermasivos a través de la cadena de fusiones de agujeros negros cada vez más grandes (desencadenada cuando las galaxias colisionan y se fusionan) puede verse complementado por los objetos que se alimentan vorazmente del gas y el polvo circundantes.
«Hemos estudiado los agujeros negros gigantes que se encuentran en los centros de las galaxias, desde hoy hasta hace siete mil millones de años», afirma en un comunicado Logan Fries, miembro del equipo de la Universidad de Connecticut. «Inesperadamente, descubrimos que giraban demasiado rápido para haberse formado sólo por fusiones de galaxias». «Deben haberse formado en gran parte por la caída de material, haciendo crecer suavemente el agujero negro y acelerando su rotación».
Medir el espín de los agujeros balck no es fácil
A pesar de ser monstruos cósmicos que dan forma a galaxias enteras a su alrededor, los agujeros negros supermasivos con masas de millones o miles de millones de veces la del Sol (y sus homólogos de masa estelar más diminutos) son, en general, bastante sencillos y pueden definirse individualmente con sólo tres características: masa, espín y, lo que es menos importante, carga eléctrica. El físico John Wheeler explicó ingeniosamente esta falta de rasgos distintivos: «los agujeros negros no tienen pelo».
«Los agujeros negros parecen tan exóticos, pero se pueden describir completamente con sólo dos números: masa y velocidad de giro», explicó Fries. «El problema es que la masa es difícil de medir, y el espín aún más».
(Izquierda) Impresiones artísticas de un agujero negro y su disco de acreción con diferentes espines. (Derecha) El correspondiente espectro de múltiples longitudes de onda que se observaría en cada uno de ellos. (Crédito de la imagen: Izquierda: NASA/JPL-CaltechDerecha: Logan Fries y la colaboración SDSS)
La velocidad a la que gira un agujero negro es difícil de distinguir de la velocidad a la que gira la nube aplanada de gas y polvo que lo rodea: el disco de acreción.
«El reto consiste en separar el giro del agujero negro del giro del disco de acreción que lo rodea», afirma en el comunicado Jonathan Trump, miembro del equipo e investigador de la Universidad de Connecticut. «La clave está en observar la región más interna, donde el gas cae hacia el horizonte de sucesos del agujero negro». «Un agujero negro giratorio arrastra ese material más interno durante el viaje, lo que conduce a una diferencia observable cuando nos fijamos en los detalles de nuestras mediciones».
Un registro fósil cósmico
El equipo abordó la difícil tarea de determinar el espín de los agujeros negros utilizando el proyecto Reverberation Mapping del SDSS. Este proyecto ha estado realizando mediciones extremadamente precisas de la masa de cientos de agujeros negros, al tiempo que ha llevado a cabo observaciones detalladas de las estructuras de los discos de acreción de los vacíos.
Estos datos se presentan en forma de espectros, es decir, de luz emitida a través del espectro electromagnético. Con estos datos en la mano, los científicos pueden empezar a medir la velocidad a la que gira un agujero negro central.
Un sutil cambio en la longitud de onda de la luz revela mucho sobre la rotación del agujero negro. Cuando el material cae en el agujero negro, también trae consigo momento angular – esa rotación revela detalles de la dieta pasada de un agujero negro.
«Llamo a este enfoque “arqueología del agujero negro” porque estamos tratando de entender cómo la masa de un agujero negro ha crecido con el tiempo», dijo Fries. «Al observar el giro del agujero negro, esencialmente estás observando su registro fósil».
Ilustración de un agujero negro supermasivo en el cosmos primitivo. (Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
Este «registro fósil» puede descifrarse cuando los científicos comparan la velocidad de giro observada con la predicha.
Actualmente, el modelo preferido sugiere que los agujeros negros supermasivos crecen por fusiones desencadenadas cuando sus galaxias de origen colisionan y se fusionan. Dado que estas galaxias individuales tienen sus propias tasas de rotación y orientación aleatoria, cuando se fusionan, estas rotaciones podrían anularse. O, al menos, podrían combinarse entre sí. Ambos resultados son igualmente probables.
Por ello, los científicos esperan que los agujeros negros giren muy despacio. Sin embargo, este equipo no descubrió eso.
Gráfico del giro observado en los agujeros negros a lo largo de la historia del universo, de izquierda a derecha. Los puntos de color grueso representan los giros observados de los agujeros negros: el azul muestra la rotación en la misma dirección que el disco de acreción, el gris muestra poca o ninguna rotación y el rojo muestra la rotación en la dirección opuesta. El óvalo verde muestra lo que cabría esperar del crecimiento de los agujeros negros por acreción suave; el óvalo rosa muestra lo que cabría esperar de las fusiones. (Crédito de la imagen: Izquierda: Logan Fries y la colaboración SDSS Arriba a la derecha: NASA, ESA y The Hubble Heritage Team (STScI)Abajo a la derecha: NASA/CXC/M.Weiss)
Esta investigación no sólo reveló que muchos agujeros negros giran más rápido de lo esperado, sino que también demostró que los agujeros negros de galaxias más lejanas giran aún más rápido que los del universo local.
Esto sugiere que el giro de los agujeros negros podría aumentar gradualmente con el tiempo. Una forma de que esto ocurra es que el agujero negro acumule momento angular por la acumulación gradual de polvo y gas.
Los investigadores podrían seguir comprobando esta idea y verificar estos resultados utilizando las observaciones del telescopio espacial James Webb (JWST), que, en sus tres años de funcionamiento, ha ido encontrando agujeros negros supermasivos de épocas cada vez más tempranas del universo.
«Los agujeros negros se sitúan realmente en la frontera de la comprensión humana», afirma en el comunicado Juna Kollmeier, Directora de SDSS-V, la fase actual del SDSS. «Llevamos a cabo sondeos masivos como SDSS para construir una imagen astrofísica empírica de sus propiedades fundamentales contra la que nuestros modelos teóricos puedan ser puestos a prueba.»
Fries presentó los hallazgos del equipo el 14 de enero en la 245ª reunión de la Sociedad Astronómica Americana (AAS) en National Harbor, Maryland.
