EL AGUJERO NEGRO SUPERMASIVO DE LA VIA LACTEA SIGUE ARDIENDO

 

Una vez se pensó que nuestra galaxia, la Vía Láctea, tenía un monstruo dormido en su núcleo, un agujero negro que pesaba 4 millones de veces la masa de nuestro Sol. Pero cada vez hay más pruebas de que el agujero negro se despierta ocasionalmente para devorar una estrella o una nube de gas desafortunada que cae en él. Luego, el agujero negro emite poderosos rayos de radiación y partículas que viajan a casi la velocidad de la luz. El mayor estallido registrado fue hace 2 millones de años. Esto es evidente en la expansión de penachos de plasma. que forman una forma de reloj de arena, extendiéndose muy por encima y por debajo del plano de nuestra galaxia. Las ondas de choque bipolares del estallido del agujero negro calentaron el gas fuera del plano galáctico para brillar en rayos gamma y rayos X.

Esta es una vista compuesta de rayos X, gas molecular y gas ionizado caliente cerca del centro galáctico. Las características de color naranja son de gas hidrógeno brillante. Una de esas características, en la punta superior del chorro se interpreta como una nube de hidrógeno que ha sido golpeada por el chorro que sale. El chorro se dispersa de la nube en zarcillos que fluyen hacia el norte. Más abajo, cerca del agujero negro, se encuentran las observaciones de rayos X de gas sobrecalentado de color azul y gas molecular de verde. Estos datos son evidencia de que el agujero negro ocasionalmente acumula estrellas o nubes de gas y expulsa parte del material sobrecalentado a lo largo de su eje de rotación. Crédito: NASA, ESA y Gerald Cecil (UNC-Chapel Hill); Procesamiento de imágenes: Joseph DePasquale (STScI).

Hubble ha encontrado evidencia circunstancial de que el agujero negro sigue ardiendo mucho después del estallido anterior. La evidencia de los astrónomos del Hubble es como hacer una excavación arqueológica para intentar mirar a través de la contaminación interestelar de densas capas de polvo y gas entre la Tierra y el centro galáctico, a 27.000 años luz de distancia. El Hubble fotografió un nudo brillante de gas que ha sido impactado por un chorro invisible del agujero negro, que está a solo 15 años luz de él. El agujero negro debió mostrarse brillantemente hace miles de millones de años como un cuásar (objeto cuasi estelar), cuando nuestra joven galaxia se alimentaba de una gran cantidad de gas que caía. Pero después de todo este tiempo, el agujero negro todavía pasa a trompicones y no está listo para dormir mientras haya algo para picar.

 

Mini-jet encontrado cerca del agujero negro supermasivo de la Vía Láctea

El agujero negro central de nuestra Vía Láctea tiene una fuga. Este agujero negro supermasivo parece que todavía tiene los vestigios de un chorro parecido a un soplete que se remonta a varios miles de años. La NASA y el telescopio espacial Hubble no ha fotografiado el avión fantasma, pero ha ayudado a encontrar evidencia circunstancial de que todavía está empujando débilmente en una enorme nube de hidrógeno y luego salpicar, como la estrecha corriente de una manguera dirigida en un montón de arena.

Esta es una prueba más de que el agujero negro, con una masa de 4,1 millones de soles, no es un monstruo dormido, sino que periódicamente tiene hipo cuando las estrellas y las nubes de gas caen en él. Los agujeros negros atraen algo de material a un disco de acreción que gira en órbita, donde parte del material que cae es arrastrado hacia chorros que salen colimados por los poderosos campos magnéticos del agujero negro. Los estrechos "haces de los reflectores" van acompañados de una avalancha de letales radiaciones ionizantes.

 "El agujero negro central es dinámicamente variable y actualmente está apagado", dijo Gerald Cecil de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill. Cecil reunió, como un rompecabezas, observaciones de múltiples longitudes de onda de una variedad de telescopios que sugieren que el agujero negro emite mini-chorros cada vez que traga algo fuerte, como una nube de gas. La investigación de su equipo multinacional acaba de publicarse en el Astrophysical Journal .

En esta imagen compuesta anotada, el amarillo representa los datos del Hubble, el azul los datos de Chandra, el verde los datos de Alma y el rojo los datos de VLA. El gráfico de un abanico blanco vertical translúcido se agrega para mostrar el eje sugerido de un mini-jet del agujero negro supermasivo en el corazón de la galaxia. Crédito: NASA., ESA y Gerald Cecil (UNC-Chapel Hill); Procesamiento de imágenes: Joseph DePasquale (STScI).

En 2013, la evidencia de un chorro sur rechoncho cerca del agujero negro provino de rayos X detectados por el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y ondas de radio detectadas por el telescopio Jansky Very Large Array en Socorro, Nuevo México. Este chorro también parece estar arando gas cerca del agujero negro.

 Cecil tenía curiosidad por saber si también había un contra-jet del norte. Primero miró los espectros de archivo de moléculas como el alcohol metílico y el monosulfuro de carbono del Observatorio ALMA en Chile (Atacama Large Millimeter / submillimeter Array), que usa longitudes de onda milimétricas para mirar a través de los velos de polvo entre nosotros y el núcleo galáctico. ALMA revela una característica lineal estrecha y en expansión en el gas molecular que se puede rastrear durante 15 años luz hacia el agujero negro. 

Al conectar los puntos, Cecil encontró a continuación en las imágenes de longitud de onda infrarroja del Hubble una burbuja de gas caliente que se infla y brilla intensamente y que se alinea con el chorro a una distancia de al menos 35 años luz del agujero negro. Su equipo sugiere que el chorro del agujero negro se ha estrellado contra él, inflando la burbuja. Estos dos efectos residuales del chorro que se desvanece son la única evidencia visual de su impacto sobre el gas molecular.

Este esquema se basa en observaciones de múltiples longitudes de onda de un chorro sospechoso del enorme agujero negro en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. La vista amplia muestra nuestra galaxia de canto, con dos enormes burbujas de plasma brillando en rayos gamma y rayos X. Estos son evidencia de un estallido explosivo del agujero negro hace unos 2 millones de años. Al sondear profundamente en el núcleo de la galaxia (recuadro), los astrónomos que utilizan el telescopio espacial Hubble han capturado una nube de hidrógeno brillante cerca del agujero negro. La interpretación es que la nube está siendo golpeada por un chorro de material estrecho y en columnas que salió disparado del agujero negro hace apenas 2.000 años. El agujero negro todavía está activo, pero en una escala menor de producción de energía que los estallidos conocidos anteriormente. Cuando el chorro choca contra el nudo de hidrógeno, el flujo de salida se dispersa en zarcillos parecidos a pulpos que continúan a lo largo de una trayectoria fuera de nuestra galaxia. Crédito: NASA, ESA, Gerald Cecil (UNC-Chapel Hill) y Dani Player (STScI).

A medida que sopla a través del gas, el chorro golpea el material y se dobla a lo largo de múltiples corrientes. “Las corrientes se filtran fuera del denso disco de gas de la Vía Láctea”, dijo el coautor Alex Wagner de la Universidad de Tsukuba en Japón. "El chorro diverge de un rayo de lápiz en zarcillos, como el de un pulpo". Este flujo de salida crea una serie de burbujas en expansión que se extienden hasta al menos 500 años luz. Esta estructura más grande de "pompas de jabón" ha sido mapeada en varias longitudes de onda por otros telescopios.

 A continuación, Wagner y Cecil ejecutaron modelos de supercomputadoras de salidas de chorros en un disco de la Vía Láctea simulado, que reproducía las observaciones. “Al igual que en la arqueología, cavas y cavas para encontrar artefactos cada vez más antiguos hasta que encuentras restos de una gran civilización”, dijo Cecil. La conclusión de Wagner: “Nuestro agujero negro central claramente aumentó en luminosidad al menos 1 millón de veces en el último millón de años. Eso fue suficiente para que un chorro golpeara el halo galáctico ".

Observaciones anteriores del Hubble y otros telescopios encontraron evidencia de que el agujero negro de la Vía Láctea tuvo un estallido hace unos 2-4 millones de años. Eso fue lo suficientemente enérgico como para crear un par inmenso de burbujas que se elevan sobre nuestra galaxia y que brillan en rayos gamma. Fueron descubiertos por primera vez por el telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA en 2010 y están rodeados de burbujas de rayos X que fueron descubiertas en 2003 por el satélite ROSAT y mapeadas completamente en 2020 por el satélite eROSITA.

La cercana galaxia espiral barrada NGC 1068 sirve como un proxy para ayudar a los astrónomos a comprender los fuegos artificiales que tienen lugar en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, impulsados ​​por erupciones de un agujero negro supermasivo. Debido a que vivimos dentro de la Vía Láctea, gran parte de nuestra vista del centro de la galaxia está bloqueada por nubes de gas y polvo que se interponen. Pero, mirar a 45 millones de años luz de distancia en NGC 1068 les da a los astrónomos una vista de pájaro de explosiones similares de agujeros negros. La imagen insertada del telescopio espacial Hubble resuelve nubes de hidrógeno tan pequeñas como 10 años luz de diámetro dentro de 150 años luz del núcleo. Las nubes brillan porque están atrapadas en un "reflector" de radiación emitida por el agujero negro de la galaxia, que es más grande y más activo que el agujero negro en el corazón de nuestra galaxia.

Crédito: NASA, ESA, Alex Filippenko (UC Berkeley), William Sparks (STScI), Luis C. Ho (KIAA-PKU), Matthew A Malkan (UCLA), Alessandro Capetti (STScI), Alyssa Pagan (STScI).

Se han utilizado espectros de luz ultravioleta del Hubble para medir la velocidad de expansión y la composición de los lóbulos hinchados. Los espectros del Hubble descubrieron más tarde que la explosión fue tan poderosa que iluminó una estructura gaseosa, llamada corriente de Magallanes, a unos 200.000 años luz del centro galáctico. El gas brilla desde ese evento incluso hoy.

 Para tener una mejor idea de lo que está sucediendo, Cecil miró las imágenes de radio y del Hubble de otra galaxia con un flujo de salida de un agujero negro. Ubicada a 47 millones de años luz de distancia, la galaxia espiral activa NGC 1068 tiene una serie de características de burbujas alineadas a lo largo de una salida del agujero negro muy activo en su centro. Cecil descubrió que las escalas de las estructuras de radio y rayos X que emergen tanto de NGC 1068 como de nuestra Vía Láctea son muy similares. “Una burbuja de arco en la parte superior del flujo de salida de NGC 1068 coincide con la escala del comienzo de la burbuja de Fermi en la Vía Láctea. NGC 1068 puede estar mostrándonos lo que estaba haciendo la Vía Láctea durante su gran aumento de energía hace varios millones de años ".

 La característica del chorro residual está lo suficientemente cerca del agujero negro de la Vía Láctea que se volvería mucho más prominente solo unas pocas décadas después de que el agujero negro se encienda nuevamente. Cecil señala que “el agujero negro solo necesita aumentar su luminosidad en cien veces durante ese tiempo para rellenar el canal del chorro con partículas emisoras. Sería genial ver qué tan lejos llega el avión en ese estallido. Para llegar al interior de las burbujas de rayos gamma de Fermi, sería necesario que el chorro se sostenga durante cientos de miles de años, ¡porque esas burbujas tienen 50.000 años luz de diámetro cada una! ”.

 Las imágenes anticipadas de la sombra del agujero negro hechas con el Event Horizon Telescope de la National Science Foundation pueden revelar dónde y cómo se lanza el jet.

 Referencia: "Rastreando el chorro nuclear vestigial de la Vía Láctea" por Gerald Cecil, Alexander Y. Wagner, Joss Bland-Hawthorn, Geoffrey V. Bicknell y Dipanjan Mukherjee, 6 de diciembre de 2021, Astrophysical Journal .

Nota: El telescopio espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore, Maryland, lleva a cabo las operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía en Washington, DC.

Dra. Anayatzin S. Mendoza