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Agujero negro de masa intermedia

El cúmulo globular Mayall II (M31 G1) es un posible candidato para albergar un agujero negro de masa intermedia en su centro [1]

Un agujero negro de masa intermedia ( IMBH ) es una clase de agujero negro con masa en el rango de decenas a decenas de miles (10 2 –10 5 ) masas solares : significativamente más alta que los agujeros negros estelares pero más baja que los agujeros negros supermasivos de decenas de miles a cientos de billones (10 5 –10 15 ) de masas solares . [2] [3] Se han descubierto varios objetos candidatos a IMBH en la galaxia de la Vía Láctea y otras cercanas, basándose en observaciones indirectas de la velocidad de las nubes de gas y de los espectros del disco de acreción de diversa fuerza evidencial.

Evidencia observacional

La señal de onda gravitacional GW190521 , que se produjo el 21 de mayo de 2019 a las 03:02:29 UTC, [4] y se publicó el 2 de septiembre de 2020, [5] [6] [7] fue el resultado de la fusión de dos agujeros negros. Tenían masas de 85 y 65 masas solares y se fusionaron para formar un agujero negro de 142 masas solares, con 8 masas solares irradiadas como ondas gravitacionales. [8] [5] [6] [7]

Antes de eso, la evidencia más fuerte de IMBH provenía de unos pocos núcleos galácticos activos de baja luminosidad . [9] Debido a su actividad, estas galaxias casi con certeza contienen agujeros negros en acreción , y en algunos casos las masas de los agujeros negros se pueden estimar utilizando la técnica de mapeo de reverberación . Por ejemplo, la galaxia espiral NGC 4395 a una distancia de aproximadamente 4 Mpc parece contener un agujero negro con una masa de aproximadamente 3,6 × 10 5 masas solares. [10] [ ¿relevante? ]

La muestra actualizada más grande de agujeros negros de masa intermedia incluye 305 candidatos [11] seleccionados mediante un análisis sofisticado de un millón de espectros ópticos de galaxias recopilados por el Sloan Digital Sky Survey. [12] Se detectó emisión de rayos X de 10 de estos candidatos [11], lo que confirma su clasificación como IMBH.

Se sospecha que algunas fuentes de rayos X ultraluminosas (ULX) en galaxias cercanas son IMBH, con masas de cien a mil masas solares . [13] Las ULX se observan en regiones de formación estelar (por ejemplo, en la galaxia de brotes estelares M82 [14] ), y aparentemente están asociadas con cúmulos de estrellas jóvenes que también se observan en estas regiones. Sin embargo, solo una medición de masa dinámica a partir del análisis del espectro óptico de la estrella compañera puede revelar la presencia de un IMBH como acretor compacto de la ULX.

Se ha afirmado que algunos cúmulos globulares contienen IMBH, basándose en mediciones de las velocidades de las estrellas cerca de sus centros; la figura muestra un objeto candidato. Sin embargo, ninguna de las supuestas detecciones ha resistido el escrutinio. [9] Por ejemplo, los datos de M31 G1 , el objeto que se muestra en la figura, pueden ajustarse igualmente bien sin un objeto central masivo. [15]

Se puede obtener evidencia adicional de la existencia de IMBH a partir de la observación de la radiación gravitacional emitida por un sistema binario que contiene un IMBH y un remanente compacto u otro IMBH. [16] [17]

Finalmente, la relación M–sigma predice la existencia de agujeros negros con masas de 10 4 a 10 6 masas solares en galaxias de baja luminosidad. [18] El agujero negro más pequeño según la predicción de la relación M–sigma es el núcleo de la galaxia RGG 118, con solo unas 50.000 masas solares. [19]

Descubrimientos potenciales

RX J1140.1+0307 es una galaxia espiral, centrada en un agujero negro más ligero y de masa intermedia. [20]

En noviembre de 2004, un equipo de astrónomos informó del descubrimiento de GCIRS 13E , el primer agujero negro de masa intermedia en la Vía Láctea , que orbita a tres años luz de Sagitario A* . [21] Este agujero negro mediano de 1.300 masas solares se encuentra dentro de un cúmulo de siete estrellas, posiblemente el remanente de un cúmulo estelar masivo que ha sido desmantelado por el Centro Galáctico . Esta observación puede agregar apoyo a la idea de que los agujeros negros supermasivos crecen absorbiendo agujeros negros y estrellas más pequeños cercanos. Sin embargo, en 2005, un grupo de investigación alemán afirmó que la presencia de un IMBH cerca del centro galáctico es dudosa, basándose en un estudio dinámico del cúmulo estelar en el que se decía que residía el IMBH. [22] Un IMBH cerca del centro galáctico también podría detectarse a través de sus perturbaciones en las estrellas que orbitan alrededor del agujero negro supermasivo. [23]

En enero de 2006, un equipo dirigido por Philip Kaaret, de la Universidad de Iowa, anunció el descubrimiento de una oscilación cuasiperiódica de un candidato a agujero negro de masa intermedia localizado utilizando el Rossi X-ray Timing Explorer de la NASA . El candidato, M82 X-1 , está orbitado por una estrella gigante roja que está arrojando su atmósfera hacia el agujero negro. [24] Ni la existencia de la oscilación ni su interpretación como el período orbital del sistema son totalmente aceptadas por el resto de la comunidad científica, ya que la periodicidad que se afirma se basa en sólo unos cuatro ciclos, lo que significa que es posible que se trate de una variación aleatoria. Si el período es real, podría ser el período orbital, como se sugiere, o un período superorbital en el disco de acreción, como se ve en muchos otros sistemas. [ cita requerida ]

En 2009, un equipo de astrónomos dirigido por Sean Farrell descubrió HLX-1 , un agujero negro de masa intermedia con un cúmulo de estrellas más pequeño a su alrededor [25] en la galaxia ESO 243-49. Esta evidencia sugirió que ESO 243-49 tuvo una colisión galáctica con la galaxia de HLX-1 y absorbió la mayor parte de la materia de la galaxia más pequeña.

Un equipo del radiotelescopio CSIRO en Australia anunció el 9 de julio de 2012 que había descubierto el primer agujero negro de masa intermedia. [26]

En 2015, un equipo de la Universidad de Keio en Japón encontró una nube de gas ( CO-0,40-0,22 ) con una dispersión de velocidad muy amplia. [27] Realizaron simulaciones y concluyeron que un modelo con un agujero negro de alrededor de 100.000 masas solares sería el que mejor se ajustaba a la distribución de velocidad. [28] Sin embargo, un trabajo posterior señaló algunas dificultades con la asociación de nubes de dispersión de alta velocidad con agujeros negros de masa intermedia y propuso que dichas nubes podrían ser generadas por supernovas . [29] Estudios teóricos adicionales de la nube de gas y candidatos a IMBH cercanos no han sido concluyentes, pero han reabierto la posibilidad. [30]

En 2017 se anunció que un agujero negro de unos pocos miles de masas solares podría estar ubicado en el cúmulo globular 47 Tucanae . Esto se basó en las aceleraciones y distribuciones de los púlsares en el cúmulo; [31] sin embargo, un análisis posterior de un conjunto de datos actualizado y más completo sobre estos púlsares no encontró evidencia positiva de esto. [32]

En 2018, el equipo de la Universidad de Keio encontró varias corrientes de gas molecular orbitando alrededor de un objeto invisible cerca del centro galáctico, designado HCN-0.009-0.044 , lo que sugirió que se trata de un agujero negro de 32.000 masas solares y, de ser así, es el tercer IMBH descubierto en la región. [33]

Simulación de movimientos estelares en Messier 4
Simulación de movimientos estelares en Messier 4 , donde los astrónomos sospechan que podría estar presente un agujero negro de masa intermedia. [34] [35] De confirmarse, el agujero negro estaría en el centro del cúmulo, y tendría una esfera de influencia (agujero negro) limitada por el círculo rojo.

Las observaciones de 2019 encontraron evidencia de un evento de ondas gravitacionales ( GW190521 ) que surgió de la fusión de dos agujeros negros de masa intermedia, con masas de 66 y 85 veces la del Sol. [36] En septiembre de 2020 se anunció que el agujero negro fusionado resultante pesaba 142 masas solares, y que 9 masas solares se irradiaban como ondas gravitacionales. [8] [5] [6] [7]

En 2020, los astrónomos informaron del posible hallazgo de un agujero negro de masa intermedia, llamado 3XMM J215022.4-055108, en dirección a la constelación de Acuario , a unos 740 millones de años luz de la Tierra. [37] [38]

En 2021, el descubrimiento de un agujero negro de masa intermedia de 100.000 masas solares en el cúmulo globular B023-G78 en la galaxia de Andrómeda se publicó en arXiv en una preimpresión. [39]

En 2023, un análisis de los movimientos propios del cúmulo globular más cercano conocido, Messier 4 , reveló un exceso de masa de aproximadamente 800 masas solares en el centro, que parece no estar extendido y, por lo tanto, podría ser la mejor evidencia cinemática de un IMBH (incluso si no se puede descartar por completo un cúmulo inusualmente compacto de objetos compactos, enanas blancas, estrellas de neutrones o agujeros negros de masa estelar). [34] [35]

Un estudio del 10 de julio de 2024 examinó siete estrellas de rápido movimiento del centro del cúmulo globular Omega Centauri y descubrió que estas estrellas eran compatibles con estar unidas a un agujero negro de masa intermedia de al menos 8.200 masas solares. [40]

Origen

Los agujeros negros de masa intermedia son demasiado masivos para formarse por el colapso de una sola estrella, que es como se cree que se forman los agujeros negros estelares . Sus entornos carecen de las condiciones extremas (es decir, alta densidad y velocidades observadas en los centros de las galaxias) que aparentemente conducen a la formación de agujeros negros supermasivos . Hay tres escenarios de formación postulados para los IMBH. El primero es la fusión de agujeros negros de masa estelar y otros objetos compactos por medio de acreción . El segundo es la colisión descontrolada de estrellas masivas en cúmulos estelares densos y el colapso del producto de la colisión en un IMBH. El tercero es que son agujeros negros primordiales formados en el Big Bang . [41] [42] [43]

Los científicos también han considerado la posibilidad de la creación de agujeros negros de masa intermedia a través de mecanismos que involucran el colapso de una sola estrella, como la posibilidad de colapso directo en agujeros negros de estrellas con masa de núcleo de helio pre-supernova >133  M☉ ( para evitar una supernova de inestabilidad de pares que desbarataría completamente la estrella), lo que requiere una masa estelar total inicial de >260  M☉ , pero puede haber pocas posibilidades de observar un remanente de supernova de tan alta masa. Las teorías recientes sugieren que tales estrellas masivas que podrían conducir a la formación de agujeros negros de masa intermedia pueden formarse en cúmulos de estrellas jóvenes a través de múltiples colisiones estelares. [44]

Véase también

Referencias

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