El nuevo telescopio espacial descubre los grupos de viento que corren desde el agujero negro

Los científicos que usan el nuevo telescopio espacial de rayos X de Japón han sido testigos de una vista extraordinaria: los grupos de gas que se mueven rápidamente alejándose de un agujero negro supermasivo a velocidades que alcanzan casi un tercio de la velocidad de la luz. La observación innovadora, Publicado en la naturalezarevela que estos vientos cósmicos tienen una estructura compleja y gruesa en lugar de fluir suavemente como se suponía anteriormente, transformando nuestra comprensión de cómo los agujeros negros influyen en sus galaxias anfitrionas.

El telescopio espacial Xrism, lanzado en septiembre de 2023, capturó espectros de rayos X de alta resolución sin precedentes de PDS 456, un quásar que contiene un agujero negro supermasivo aproximadamente 500 millones de veces más masivo que nuestro sol. El instrumento de resolución del telescopio detectó cinco corrientes distintas de gas que fluyen hacia afuera a velocidades entre el 22-33% de la velocidad de la luz, un nivel de detalle imposible de observar con tecnología anterior.

Lo que hace que estos hallazgos sea particularmente significativo es cómo podrían responder un misterio cósmico de larga data: ¿cómo regulan los agujeros negros supermasivos el crecimiento de sus galaxias anfitrionas? ¿Podrían estos patrones de viento recién descubiertos ser el mecanismo que los astrónomos han estado buscando?

Un millón de explosiones cósmicas

En lugar de un flujo de salida suave y uniforme, los datos de xrismo muestran que el agujero negro está expulsando lo que se asemeja a los buckshot cósmico: hasta un millón de grupos de gas separados, cada uno aproximadamente 2-16 veces el radio gravitacional del agujero negro en tamaño.

La observación representa una desviación significativa de los modelos anteriores basados ​​en mediciones menos precisas. Las observaciones anteriores de rayos X habían detectado salidas de agujeros negros supermasivos, pero la resolución limitada de esos instrumentos significaba que los científicos observaban lo que parecía ser una sola característica de absorción amplia en lugar de múltiples corrientes distintas.

Esta diferencia se demuestra claramente en la comparación del estudio entre los datos de alta resolución de Xrism y las observaciones simultáneas de los instrumentos convencionales a bordo de los telescopios XMM-Newton y Nustar. Cuando los telescopios anteriores vieron una característica de absorción amplia, Xrism reveló cinco líneas de absorción discretas, cada una que representa el gas que se mueve a una velocidad diferente.

Transferencia de energía extraordinaria

Los investigadores determinaron que estos vientos llevan una energía tremenda lejos del agujero negro, con algunas propiedades notables:

• Tasa de salida de masa de 60-300 masas solares por año (equivalente a expulsar hasta 300 veces la masa de nuestro sol anualmente)
• Energía cinética del viento que excede el límite de luminosidad de Eddington (la salida máxima teórica para un orificio negro de este tamaño)
• Energía más de mil veces mayor que la que se mide en las salidas de escala de galaxias
• Flujo de momento diez veces más grande que las salidas a escala de Galaxy
• Total de aproximadamente un millón de grupos de gas individuales en el flujo de salida

Estas medidas desafían los modelos teóricos existentes de cómo los vientos de agujeros negros afectan a sus galaxias anfitrionas. La energía y el impulso transportado por estos vientos exceden significativamente las teorías actuales que predicen se transferirían a la galaxia circundante, lo que sugiere que tales salidas tan poderosas son eventos relativamente breves o que su energía no se transfiere de manera eficiente a escalas más grandes.

Resolver un rompecabezas cósmico

Los hallazgos ayudan a abordar una pregunta fundamental en astrofísica sobre la relación entre los agujeros negros supermasivos y sus galaxias anfitrionas. Las observaciones han demostrado que la masa de un agujero negro se correlaciona con la masa del bulto central de su galaxia, lo que sugiere que de alguna manera evolucionan juntos.

Los científicos han teorizado durante mucho tiempo que los poderosos vientos de los agujeros negros podrían ser el mecanismo que regula esta evolución conjunta, pero sin observaciones detalladas, el proceso exacto permaneció poco claro. Los nuevos datos de xrismo proporcionan información crítica sobre cómo funcionan estos vientos.

El estudio sugiere que estos vientos no son características constantes continuas, pero probablemente ocurran episódicamente. Los investigadores estiman que tal actividad eólica extrema podría ocurrir durante menos del 10% de la vida de un cuásar. Alternativamente, la estructura grumosa tanto del viento como del medio interestelar podría evitar una transferencia de energía eficiente a las salidas a escala de galaxia.

Logro técnico

Las observaciones representan un logro técnico significativo para la misión Xrism. El instrumento de resolución del telescopio presenta un calorímetro de rayos X con resolución espectral aproximadamente 30 veces mejor que los telescopios de rayos X convencionales, lo que le permite distinguir diferencias de energía de solo 6 voltios electrónicos.

Esta resolución sin precedentes permitió a los científicos identificar los componentes de velocidad discretos dentro del flujo de salida por primera vez. Las capacidades del instrumento también permitieron a los investigadores determinar que el viento cubre toda la fuente de rayos X, formando lo que se conoce como un perfil similar a P Cygni con características de emisión y absorción.

Al observar los cambios en la emisión de rayos X durante una fuerte brote que ocurrió durante el período de observación, los investigadores pudieron estimar tanto el tamaño de la corona de rayos X alrededor del agujero negro como la distancia a los grupos de gas de salida.

Implicaciones para la evolución del agujero negro

Si bien el PDS 456 está relativamente cerca en términos cósmicos (a unos 2.700 millones de años luz de distancia), sus propiedades extremas lo hacen similar a los cuásares que existían cuando el universo era mucho más joven, durante la época máxima del crecimiento de los agujeros negros hace aproximadamente 10-12 mil millones de años.

Los investigadores señalan que los quásares luminosos en desplazamientos al rojo más altos a menudo muestran luminosidades muy altas y fuertes vientos similares a los PDS 456, lo que sugiere que estas actividades de viento extrema probablemente fueron comunes durante el período más activo de crecimiento de agujeros negros supermasivos en la historia del universo.

Este descubrimiento proporciona nuevas ideas cruciales sobre los mecanismos que han dado forma a las galaxias a lo largo de la historia cósmica. Al comprender cómo los agujeros negros transfieren la energía a su entorno a través de estos vientos complejos y gruesos, los científicos pueden modelar mejor cómo estos objetos masivos han influido en la evolución de las galaxias desde el universo temprano, lo que finalmente ayuda a explicar las estructuras cósmicas que observamos hoy.