Combinando observaciones directas de rayos X con simulaciones de supercomputadoras de última generación sobre la acreción de galaxias a lo largo de la historia cósmica, los investigadores han proporcionado el mejor modelo hasta el momento del crecimiento de los agujeros negros supermasivos encontrados en los centros de las galaxias. Utilizando este enfoque híbrido, un equipo de investigación dirigido por astrónomos de Penn State obtuvo una imagen completa del crecimiento de los agujeros negros a lo largo de 12 mil millones de años, desde la infancia del universo, que tenía alrededor de 1,8 mil millones de años, hasta su edad actual de 13,8 mil millones de años.

El estudio consta de dos artículos, uno de los cuales está publicado Revista de astrofísica en abril de 2024, y uno inédito que se enviará a la misma revista. Los resultados se presentarán en la 244ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense, del 9 al 13 de junio en el Centro de Convenciones Monona Terrace en Madison, Wisconsin.

«Los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias tienen entre millones y miles de millones de veces la masa del Sol», dijo Fan Zou, estudiante graduado de Penn State y primer autor del artículo. «¿Cómo se convierten en tales monstruos? Los astrónomos han estudiado esta cuestión durante décadas, pero ha sido difícil rastrear todas las formas en que los agujeros negros pueden crecer de manera confiable».

Los agujeros negros supermasivos crecen fusionando dos canales principales. Consumen gas frío de su propia galaxia, lo que se denomina acreción, y pueden fusionarse con otros agujeros negros supermasivos en galaxias en colisión.

«A medida que consumen gas de sus galaxias anfitrionas, los agujeros negros emiten fuertes rayos X, lo cual es clave para rastrear su crecimiento después de la acreción», dijo W. Neil Brandt, profesor de astronomía y astrofísica de la familia Eberly y profesor de astronomía. en física en Penn State y líder del grupo de investigación. «Medimos el crecimiento inducido por la acreción utilizando datos de rayos X del cielo acumulados durante más de 20 años de tres de las máquinas de rayos X más potentes jamás lanzadas al espacio».

El equipo de investigación utilizó datos adicionales del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, la Misión Multiespejo de rayos X Newton (XMM-Newton) de la Agencia Espacial Europea y el telescopio eROSITA del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre. En total, midieron el crecimiento inducido por la acreción en una muestra de 1,3 millones de galaxias que contenían más de 8.000 agujeros negros en rápida acreción.

«Todas las galaxias y agujeros negros de nuestra muestra están muy bien caracterizados en múltiples longitudes de onda con excelentes mediciones en las bandas infrarroja, óptica, ultravioleta y de rayos X», dijo Zou. «Esto nos permite sacar conclusiones sólidas, y los datos muestran que en todas las edades cósmicas, las galaxias más masivas desarrollaron sus agujeros negros más rápidamente. Gracias a la calidad de los datos, pudimos cuantificar este importante fenómeno mucho mejor que en trabajos anteriores. .»

La otra forma en que crecen los agujeros negros supermasivos es a través de fusiones, cuando dos agujeros negros supermasivos chocan y se fusionan para formar un único agujero negro aún más masivo. Para rastrear el crecimiento a través de fusiones, el equipo utilizó IllustrisTNG, un conjunto de simulaciones de supercomputadoras que modelan la formación, evolución y fusión de galaxias desde poco después del Big Bang hasta el día de hoy.

«En nuestro enfoque híbrido, combinamos la acreción observada con el crecimiento simulado, para reproducir la historia de crecimiento de los agujeros negros supermasivos», dijo Brandt. «Con este nuevo enfoque, creemos que hemos producido la imagen más realista hasta la fecha del crecimiento de los agujeros negros supermasivos».

Los investigadores descubrieron que, en la mayoría de los casos, el crecimiento de los agujeros negros está dominado por la acreción. Las fusiones han hecho una importante contribución secundaria, especialmente en los últimos 5 mil millones de años del tiempo cósmico, a los agujeros negros más masivos. En general, los agujeros negros supermasivos de todas las masas crecieron mucho más rápido cuando el universo era más joven. Por esta razón, el número total de agujeros negros supermasivos casi se había estabilizado hace 7 mil millones de años, mientras que muchos nuevos aparecieron en el universo antes.

«Utilizando nuestro enfoque, podemos rastrear cómo los agujeros negros centrales del universo local probablemente crecieron a lo largo del tiempo cósmico», dijo Zou. «Como ejemplo, consideramos el crecimiento del agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, que tiene una masa de 4 millones de masas solares. Nuestros resultados muestran que el agujero negro en nuestra galaxia probablemente creció relativamente tarde en el tiempo cósmico. «.

Además de Zou y Brandt, el equipo de investigación incluye a Zhibo Yu, un estudiante graduado de Penn State; Hyungsuk Tak, profesor asistente de estadística y astronomía y astrofísica en Penn State; Elena Gallo de la Universidad de Michigan; Bin Luo de la Universidad de Nanjing en China; Qingling Ni del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Alemania; Yongquan Xue de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China; y Guang Yang de la Universidad de Groningen en Países Bajos.

Este trabajo fue apoyado por fondos de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., el Centro de rayos X Chandra y Penn State. El trabajo también fue posible gracias al intercambio de resultados de simulación de IllustrisTNG con la comunidad científica.



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