Casi todas las galaxias masivas observadas tienen un agujero negro supermasivo en su centro. El Telescopio Espacial James Webb de la NASA ha descubierto que algunos de estos agujeros negros supermasivos pueden incluso ser demasiado grandes para la galaxia en la que residen, lo que desafía la comprensión astronómica de estos objetos y plantea dudas sobre su crecimiento en el universo primitivo. Los astrónomos todavía están investigando muchas cuestiones clave sobre estos misteriosos y poderosos objetos, y estudiarlos puede ayudar a los investigadores a comprender cómo se forman y crecen las galaxias.
Soy un astrónomo que estudia agujeros negros supermasivos en otras galaxias. Estos fascinantes objetos astronómicos pueden informar a los investigadores sobre cómo se consume o expulsa la materia desde el centro de la galaxia y cómo esto puede afectar otros procesos en la galaxia.
Los agujeros negros son numerosos en el universo, pero los científicos todavía tienen muchas preguntas sin respuesta sobre cómo funcionan. ¿Qué son los agujeros negros supermasivos?
Los agujeros negros supermasivos son la clase más grande de agujeros negros.
Los agujeros negros son regiones del espacio donde la gravedad se ha convertido en una fuerza tan dominante que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Estos agujeros negros varían desde cientos de miles hasta millones o miles de millones de veces más masivos que nuestro Sol.
Los estudios sugieren que casi todas las galaxias masivas observadas por los astrónomos tienen un agujero negro supermasivo en su centro. Sin embargo, las galaxias son tan grandes que estos agujeros negros ocupan sólo una pequeña fracción y son superados en número por el gas, el polvo y las estrellas.
Un agujero negro supermasivo está cerrado por un horizonte de sucesos o un punto de no retorno. Cualquier objeto que cruce el horizonte tendría que viajar más rápido que la velocidad de la luz para escapar del agujero negro, lo cual no es físicamente posible.
Si colocaras un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, llamado Sagitario A*, donde estaría el Sol, su horizonte de sucesos y el gas circundante encajarían en la órbita de Mercurio. Sin embargo, para un agujero negro supermasivo más masivo, como M87*, todo el Sistema Solar encajaría dentro del horizonte de sucesos.
Las dos únicas imágenes de agujeros negros desde 2026, tomadas en longitudes de onda milimétricas. A la izquierda está el agujero negro supermasivo M87*, situado en el centro de la galaxia Messia 87, con un dibujo superpuesto a la órbita de Plutón y la ubicación de la sonda Voyager 1, que se encuentra en el espacio interestelar. A la derecha está el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea como un recuadro a la izquierda, con un dibujo superpuesto a la ubicación de la órbita de Mercurio y el diámetro del Sol. Crédito: Colaboración EHT (crédito: Lia Medeiros, kkcd)., CC BI ¿Cómo estudian los científicos los agujeros negros supermasivos?
Desde el punto de vista de la observación, los agujeros negros supermasivos son difíciles de capturar.
Aunque son muchos millones de veces más grandes que nuestro Sol, ocupan sólo una pequeña parte de la galaxia, que puede estar aún más envuelta en estrellas y polvo. Hasta la fecha, sólo se han tomado dos "fotografías" de agujeros negros supermasivos, ambas por la Event Horizon Telescope Collaboration.
Dado que es muy difícil obtener imágenes directamente, los astrónomos tienen que utilizar métodos indirectos para aprender sobre los agujeros negros supermasivos y sus propiedades.
Para determinar la masa de un agujero negro supermasivo, los astrónomos pueden observar la galaxia anfitriona circundante y calcular la masa necesaria para ejercer esa fuerza gravitacional sobre los componentes de la galaxia. Los agujeros negros supermasivos que consumen materia se clasifican como activos, mientras que los agujeros negros supermasivos que no consumen materia se conocen como inactivos o inactivos.
Para las galaxias con un agujero negro supermasivo inactivo, los astrónomos miden qué tan rápido viajan las estrellas apretadas cerca del centro de la galaxia. Toman el promedio de todas estas velocidades y utilizan una relación conocida como relación M-sigma para obtener una masa que coincida con la velocidad promedio medida.
Para las galaxias con un agujero negro supermasivo activo, los astrónomos observan la luz emitida por el gas alrededor del horizonte de sucesos. Si los científicos suponen que el gas orbita alrededor de un agujero negro supermasivo, la anchura del gas circundante corresponde a la masa central, y esto puede proporcionar otra forma de estimar la masa.
Los astrónomos también pueden tener una idea de cuánta masa cae en un agujero negro activo midiendo la luminosidad, o potencia observada, del gas antes de que cruce el horizonte de sucesos.
Lo que no sabemos sobre estos objetos
Los astrónomos también están interesados en descubrir cómo se forman los agujeros negros supermasivos. Aunque ya saben cómo se forman los agujeros negros más pequeños, llamados agujeros negros de masa estelar, los agujeros negros supermasivos son demasiado masivos para formarse de la misma manera.
Los agujeros negros de masa estelar se forman cuando una estrella masiva se queda sin combustible. La gravedad hace que su núcleo colapse, lo que envía una onda de choque que destruye la estrella y puede dejar tras de sí un agujero negro. Sin embargo, las estrellas que forman estos agujeros negros de masa estelar no son lo suficientemente masivas como para formar agujeros negros supermasivos.
Los científicos tienen dos hipótesis sobre la formación de una semilla de agujero negro supermasivo. Las semillas son agujeros negros iniciales que ganan masa con el tiempo hasta convertirse en los agujeros negros supermasivos que observamos hoy.
Una hipótesis es que son el resultado de la muerte de estrellas jóvenes y masivas del universo temprano, conocidas como estrellas de Población III. Otra hipótesis afirma que las semillas de un agujero negro supermasivo se originaron a partir de una gran nube de gas que colapsó, debido a su gran masa y su fuerte gravedad, en el agujero negro.
Actualmente, ninguna de las hipótesis cuenta con evidencia observacional directa que la respalde, pero los resultados del Telescopio Espacial James Webb esperan responder estas preguntas.
Los agujeros negros activos están rodeados de discos de acreción. Estos discos giratorios están compuestos de gas y polvo sobrecalentados. ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Bartman, CC BI-NC
Otra pregunta importante sin respuesta es cuándo se forman estos agujeros negros supermasivos.
Esta pregunta se convierte en un problema del huevo o la gallina: ¿Se formó primero la semilla de un agujero negro supermasivo y luego atrajo gradualmente la materia que finalmente formó la galaxia a su alrededor? ¿O fue la galaxia la que empezó a fusionarse primero y las estrellas y las nubes de gas de su interior colapsaron formando una semilla de agujero negro supermasivo?
Los resultados y observaciones preliminares sugieren que lo primero es más probable, pero si ese es el caso, surge la pregunta: ¿Cómo podría formarse y evolucionar el resto de la galaxia con un agujero negro supermasivo en su interior?
¿Por qué es importante estudiarlos?
Los agujeros negros supermasivos afectan a sus galaxias anfitrionas. A medida que el agujero negro supermasivo crece, los astrónomos ven un aumento en la velocidad de las estrellas ubicadas en el cúmulo central de la galaxia. Este patrón sugiere una conexión entre el agujero negro supermasivo y otros componentes de la galaxia, como estrellas, gas y polvo.
Los científicos suelen observar cómo la materia cae hacia el interior, hacia un agujero negro. Pero antes de ser atraído hacia adentro, una parte es devuelta por los vientos creados por la intensa presión y fricción del agujero negro. Esta materia arrastrada desde las proximidades del agujero negro supermasivo puede calentar el gas e impedir la formación de estrellas o comprimir el gas y provocar ondas de choque dentro de la galaxia.
Aunque un agujero negro supermasivo puede afectar a su galaxia anfitriona, la Tierra no corre peligro de ser absorbida o arrastrada por el agujero negro en el centro de la Vía Láctea. En la mayoría de las galaxias, el agujero negro supermasivo simplemente actúa como una fuerza gravitacional que mantiene los objetos de la galaxia en órbita.
Sin embargo, es importante que los científicos comprendan cómo los agujeros negros supermasivos afectan a sus galaxias anfitrionas y cómo pueden influir en nuestras observaciones del universo.
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