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Los agujeros negros supermasivos tienen masas de más de un millón de soles, pero su crecimiento se ha desacelerado a medida que el universo envejece

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La mayoría de los puntos azules en esta imagen del estudio del cielo son agujeros negros supermasivos en proceso de acreción que emiten rayos X potentes. | Crédito: Fan Zou (Penn State) y la colaboración XMM-SERVS

Este artículo fue publicado originalmente en La conversación. La publicación contribuyó con el artículo a Space.com. Voces de expertos: artículos de opinión y opiniones. Ventilador Zou es un estudiante de posgrado en la Universidad Estatal de Pensilvania mientras W. Neil Brandt Es profesor de astronomía y astrofísica en Penn State.

Los agujeros negros son objetos astronómicos extraordinarios cuya gravedad es tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de ellos. Los más gigantescos, conocidos como agujeros negros “supermasivos”, pueden pesar millones o miles de millones de veces la masa del Sol.

Estos gigantes suelen vivir en el centro de las galaxias. Nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, también contiene un agujero negro supermasivo en su interior.

Entonces, ¿cómo se vuelven supermasivos estos agujeros negros supermasivos? Para responder a esta pregunta, nuestro equipo de astrofísicos miró hacia atrás en el tiempo a lo largo de los 13.800 millones de años de historia del universo para rastrear cómo han crecido los agujeros negros supermasivos desde sus inicios hasta hoy.

Construimos un modelo de la historia general del crecimiento de los agujeros negros supermasivos a lo largo de los últimos 12 mil millones de años.

¿Cómo crecen los agujeros negros supermasivos?

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Dos agujeros negros supermasivos contra una red de materia oscura que los atrae

Los agujeros negros supermasivos crecen principalmente de dos maneras: pueden consumir gas de sus galaxias anfitrionas en un proceso llamado acreción, y también pueden fusionarse entre sí cuando dos galaxias colisionan.

Cuando los agujeros negros supermasivos consumen gas, casi siempre emiten fuertes rayos X, un tipo de luz de alta energía invisible a simple vista. Probablemente hayas oído hablar de los rayos X que se utilizan en el dentista para examinar los dientes. Los rayos X que utilizan los astrónomos suelen tener energías más bajas que los rayos X médicos.

Entonces, ¿cómo puede escapar la luz, incluso los rayos X invisibles, de los agujeros negros? En sentido estricto, la luz no proviene de los agujeros negros en sí, sino del gas que se encuentra justo fuera de ellos. Cuando el gas es atraído hacia un agujero negro, se calienta y brilla para producir luz, como rayos X. Cuanto más gas consume un agujero negro supermasivo, más rayos X producirá.

Gracias a los datos acumulados durante más de 20 años de tres de las instalaciones de rayos X más potentes jamás lanzadas al espacio –Chandra, XMM-Newton y eROSITA– los astrónomos pueden capturar rayos X de un gran número de agujeros negros supermasivos en acreción en el universo.

Estos datos permiten a nuestro equipo de investigación estimar la velocidad a la que crecen los agujeros negros supermasivos al consumir gas. En promedio, un agujero negro supermasivo puede consumir suficiente gas como para alcanzar aproximadamente la masa del Sol cada año, y el valor exacto depende de varios factores.

Por ejemplo, los datos muestran que la tasa de crecimiento de un agujero negro, promediada durante millones de años, está fuertemente relacionada con la masa de todas las estrellas en su galaxia anfitriona.

¿Con qué frecuencia se fusionan los agujeros negros supermasivos?

Además de alimentarse de gas, los agujeros negros supermasivos también pueden crecer fusionándose entre sí para formar un único agujero negro más masivo cuando las galaxias chocan.

Las simulaciones cosmológicas realizadas con supercomputadoras pueden predecir la frecuencia con la que se producen estos eventos. Estas simulaciones tienen como objetivo modelar cómo crece y evoluciona el universo a lo largo del tiempo. Las innumerables galaxias que vuelan por el espacio son como ladrillos que construyen el universo.

Estas simulaciones muestran que las galaxias y los agujeros negros supermasivos que albergan pueden sufrir múltiples fusiones a lo largo de la historia cósmica.

Nuestro equipo ha rastreado estos dos canales de crecimiento (consumo de gas y fusiones) utilizando rayos X y simulaciones de supercomputadoras, y luego los ha combinado para construir este historial de crecimiento general, que mapea el crecimiento de los agujeros negros en todo el universo a lo largo de miles de millones de años.

Nuestra historia de crecimiento reveló que los agujeros negros supermasivos crecieron mucho más rápido hace miles de millones de años, cuando el universo era más joven.

En los primeros tiempos, el universo contenía más gas para que lo consumieran los agujeros negros supermasivos, y estos siguieron apareciendo. A medida que el universo envejecía, el gas se fue agotando gradualmente y el crecimiento de los agujeros negros supermasivos se desaceleró. Hace unos 8.000 millones de años, el número de agujeros negros supermasivos se estabilizó. Desde entonces, no ha aumentado sustancialmente.

Cuando no hay suficiente gas disponible para que los agujeros negros supermasivos crezcan por acreción, la única forma de que se hagan más grandes es mediante fusiones. No hemos visto muchos casos de eso en nuestra historia de crecimiento. En promedio, los agujeros negros más masivos pueden acumular masa a partir de fusiones a un ritmo de hasta la masa del Sol cada varias décadas.

Pensando en el futuro

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Esta investigación nos ha ayudado a comprender cómo más del 90% de la masa de los agujeros negros se ha acumulado durante los últimos 12 mil millones de años.

Sin embargo, todavía tenemos que investigar cómo crecieron en el universo primitivo para explicar los pocos porcentajes restantes de masa de los agujeros negros. La comunidad astronómica está empezando a hacer avances en la exploración de estos primeros agujeros negros supermasivos y esperamos encontrar más respuestas pronto.

Este artículo se vuelve a publicar desde La conversación bajo una licencia Creative Commons. Lea el Artículo original.