Un equipo de astrónomos estudió 16 agujeros negros supermasivos que emiten potentes rayos al espacio para rastrear hacia dónde se dirigen ahora los rayos, o chorros, y hacia dónde fueron enviados en el pasado. Utilizando el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y el Very Large Base Array (VLBA) del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NSF) de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), descubrieron que algunos rayos cambiaban de dirección en gran medida.
Estas dos imágenes de Chandra muestran gas caliente en el centro del cúmulo de galaxias Abell 478 (izquierda) y el grupo de galaxias NGC 5044 (derecha). En el centro de cada imagen hay uno de los dieciséis agujeros negros que emiten rayos hacia el exterior. Cada agujero negro está situado en el centro de una galaxia, rodeado de gas caliente.
Las imágenes a continuación muestran las etiquetas y las imágenes de radio. Las elipses muestran un par de cavidades de gas caliente para Abell 478 (izquierda), y las elipses muestran dos pares de cavidades para NGC 5044 (derecha). Estas cavidades fueron talladas por rayos hace millones de años, lo que indica las direcciones de los rayos en el pasado. X muestra la ubicación de cada agujero negro supermasivo.
Abell 478 y NGC 5044 (etiquetados). Rayos X: NASA/CXC/Univ de Bolonia/F. Ubertosi; Inserciones de radio: NSF/NRAO/VLBA; Gran Angular: Óptico/IR: Univ. de Hawái/Pan-STARRS; Procesamiento de imágenes: NASA/CXC/SAO/N. Wolk
Las imágenes del VLBA se muestran como recuadros que muestran hacia dónde apuntan actualmente los rayos vistos desde la Tierra. Ambas imágenes de radio son mucho más pequeñas que las imágenes de rayos X. Para Abell 478, la imagen de radio tiene aproximadamente el 3% del ancho de la imagen de Chandra, y para NGC 5044, la imagen de radio tiene aproximadamente el 4% del ancho de la imagen de Chandra.
Una comparación de las imágenes de Chandra y VLBA muestra que los rayos de Abell 478 cambiaron de dirección unos 35 grados, y los rayos de NGC 5044 cambiaron de dirección unos 70 grados.
En toda la muestra, los investigadores encontraron que aproximadamente un tercio de las 16 galaxias tienen rayos que apuntan en direcciones completamente diferentes a las de antes. Algunos de ellos cambiaron de dirección casi 90 grados en algunos casos y en escalas de tiempo de un millón de años a varias decenas de millones de años. Dado que los agujeros negros tienen una edad del orden de 10 mil millones de años, esto representa un cambio relativamente rápido para estas galaxias.
Imágenes de gran angular de Abell 478 [izquierda] y NGC 5044 [derecha]. Rayos X: NASA/CXC/Universidad de Bolonia/F. Ubertosi y otros; Óptico/IR: Universidad de Hawaii/Pan-STARRS; IR: NASA/ESA/JPL/CalTech/Telescopio Espacial Herschel
Los agujeros negros generan rayos cuando la materia cae sobre ellos a través de un disco de materia que gira, y parte de ella luego se redirige hacia afuera. Se cree que la dirección de los rayos de cada uno de estos agujeros negros gigantes, que probablemente estén girando, está alineada con el eje de giro del agujero negro, lo que significa que los rayos se dirigen a lo largo de una línea que conecta los polos.
Se supone que estos rayos son perpendiculares al disco. Si el material cae sobre los agujeros negros en un ángulo distinto del paralelo al disco, puede afectar la dirección de los ejes de giro del agujero negro, cambiando la dirección de los rayos.
Los científicos creen que los rayos de los agujeros negros y los vacíos que crean juegan un papel importante en la formación de estrellas en sus galaxias. Los rayos bombean energía al gas caliente dentro y alrededor de la galaxia, impidiendo que se enfríe lo suficiente como para formar una gran cantidad de nuevas estrellas. Si los rayos cambian significativamente de dirección, podrían suprimir la formación de estrellas en áreas mucho más grandes de la galaxia.
En la edición del 20 de enero de 2024 de The Astrophysical Journal se publicó un artículo que describe estos resultados. Autores: Francesco Ubertosi (Universidad de Bolonia en Italia), Gerritt Shellenberger (Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian), Evan O’Sullivan (CfA), Jan Vrtilek (CfA), Simone Giacintucci (Laboratorio de Investigación Naval), Lawrence David (CfA ), William Forman (CfA), Miriam Gitti (Universidad de Bolonia), Tiziana Venturi (Instituto Nacional de Astrofísica – Instituto de Radioastronomía de Italia), Christine Jones (CfA) y Fabrizio Brighenti (Universidad de Bolonia).
El Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA gestiona el programa Chandra. El Centro de rayos X Chandra del Observatorio Astrofísico Smithsonian gestiona la ciencia desde Cambridge, Massachusetts, y el control de la misión desde Burlington, Massachusetts.
Una nueva investigación teórica muestra que es imposible formar un agujero negro utilizando únicamente la energía de partículas ligeras, lo que socava la teoría de la relatividad general de Einstein. Un nuevo estudio sugiere que los objetos extremos conocidos como “kugelblitzes” (agujeros negros formados únicamente a partir de luz) son imposibles en nuestro universo, desafiando la teoría de la relatividad general de Einstein. El descubrimiento impone importantes limitaciones a los modelos cosmológicos y demuestra cómo la mecánica cuántica y la relatividad general pueden conciliarse para resolver cuestiones científicas complejas.
Los agujeros negros (objetos masivos con una atracción gravitacional tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar de su alcance) se encuentran entre los objetos más intrigantes y extraños del Universo. Suelen formarse por el colapso de estrellas masivas al final de su ciclo de vida, cuando la presión de las reacciones termonucleares en sus núcleos ya no puede soportar la fuerza de gravedad.
Sin embargo, también existen hipótesis más exóticas sobre la formación de agujeros negros. Una de esas teorías implica la creación de “kugelblitz”, que significa “relámpago” en alemán. (El plural es “kugelblitze”).
“Un Kugelblitz es un agujero negro hipotético que, en lugar de formarse a partir del colapso de la ‘materia ordinaria’ (de la cual los protones, neutrones y electrones son los componentes principales), se forma concentrando enormes cantidades de radiación electromagnética, como la luz”. dijo el coautor del estudio José Polo-Gómez es físico de la Universidad de Waterloo y del Instituto Perimeter de Física Teórica de Canadá.
“Aunque la luz no tiene masa, transporta energía”, dijo Polo-Gómez, añadiendo que en la teoría general de la relatividad de Einstein, la energía es responsable de crear curvaturas en el espacio-tiempo que conducen a la atracción gravitacional. “Debido a esto, en principio es posible que la luz forme agujeros negros, si la concentramos lo suficiente en un volumen lo suficientemente pequeño”, dijo.
La teoría general de la relatividad de Einstein establece que la energía, no la masa, es responsable de la curvatura del espacio-tiempo que resulta en la atracción gravitacional. Según esta teoría, los agujeros negros deberían poder formarse únicamente a partir de energía luminosa. NASA/JPL-Caltech
Estos principios son válidos en el marco de la teoría general clásica de la relatividad, que no tiene en cuenta los fenómenos cuánticos. Para estudiar la posible influencia de los efectos cuánticos en la formación de Kugelblitz, Polo-Gómez y sus colegas estudiaron la influencia del efecto Schwinger.
En su estudio, el equipo calculó la velocidad a la que los pares de electrones y positrones creados en un campo electromagnético consumirían energía. Si esta velocidad excede la tasa de reposición de energía del campo electromagnético en una región determinada, no se puede formar kugelblitz.
El equipo descubrió que incluso en las condiciones más extremas, la luz pura nunca podría alcanzar el umbral de energía necesario para formar un agujero negro. Este descubrimiento tiene profundas implicaciones teóricas, limitando significativamente los modelos astrofísicos y cosmológicos previamente considerados que asumen la existencia del Kugelblitz. También frustra cualquier esperanza de estudiar experimentalmente los agujeros negros en el laboratorio creándolos mediante radiación electromagnética.
Sin embargo, el resultado positivo del estudio muestra que los efectos cuánticos pueden integrarse eficazmente en problemas relacionados con la gravedad, proporcionando así respuestas claras a preguntas científicas urgentes.
“Desde una perspectiva teórica, este trabajo demuestra cómo los efectos cuánticos pueden desempeñar un papel importante en la comprensión de los mecanismos de formación y la apariencia de los objetos astrofísicos”, dijo Polo-Gómez.
Inspirados por sus descubrimientos, los investigadores planean continuar estudiando la influencia de los efectos cuánticos en diversos fenómenos gravitacionales que tienen un significado tanto práctico como fundamental.
“Algunos de nosotros estamos muy interesados en seguir estudiando las propiedades gravitacionales de la materia cuántica, especialmente en escenarios en los que esa materia cuántica viola las condiciones energéticas tradicionales”, dijo Eduardo Martín-Martínez, también de la Universidad de Waterloo y del Instituto Perimeter. “Este tipo de materia cuántica podría, en principio, dar lugar a espacios-tiempos exóticos, dando lugar a efectos como la gravedad repulsiva, o crear soluciones exóticas como el motor warp de Alcubierre o agujeros de gusano atravesables”.
La explosión masiva liberó 100.000 billones de veces más energía de la que liberaría el Sol en toda su vida. Los astrónomos han descubierto una de las erupciones de agujeros negros más poderosas jamás observadas. Esta colosal explosión, que ocurrió hace casi 4 mil millones de años, formó un patrón de estrellas en cúmulos parecidos a joyas.
Un collar de estrellas adorna un cúmulo masivo de cientos de galaxias llamado SDSS J1531; este cuerpo se encuentra aproximadamente a 3.800 millones de años luz de la Tierra. El cúmulo de galaxias también contiene una enorme reserva de gas caliente, y en su centro dos de sus galaxias más grandes están en proceso de fusionarse en una. La erupción que descubrieron los científicos probablemente provino de un agujero negro supermasivo en una de estas galaxias en colisión.
Y a medida que estas galaxias continúan colisionando, los científicos han podido discernir una cadena en forma de S de 19 enormes cúmulos de estrellas llamados “supercúmulos”.
Para investigar la formación de la cadena del supercúmulo, astrónomos de todo el mundo recurrieron a una gran cantidad de datos de todo el espectro electromagnético, incluidos datos de ondas de radio del radiotelescopio de baja frecuencia (LOFAR) y datos de luz visible y rayos X recopilados por el telescopio Chandra de la NASA. Observatorio de rayos X. Comprender la formación de esta increíble característica podría conducir a una mejor idea de cómo los agujeros negros supermasivos dan forma a sus entornos.
“Se espera que las erupciones de agujeros negros como la que ayudó a crear los supercúmulos en SDSS J1531 sean muy importantes para mantener caliente el gas en los cúmulos de galaxias”, dijo en un comunicado Timothy Davies, miembro del equipo de investigación y científico de la Universidad de Cardiff. declaración. “Encontrar pruebas tan claras de este proceso en curso nos permite comprender la influencia de los agujeros negros gigantes en su entorno”.
Una extraña cadena de “joyas estelares” formada por cúmulos de estrellas se formó alrededor de una poderosa erupción de un agujero negro. Rayos X: NASA/CXC/SAO/O. Omoruyi y otros; haces ópticos: NASA/ESA/STScI/G. Tremblay y otros; señales de radio: ASTRON/LOFAR; procesamiento de imágenes: NASA/CXC/SAO/N. Wolk
Se cree que en el centro de todas las grandes galaxias hay agujeros negros supermasivos con masas de millones o incluso miles de millones de masas solares. Mientras que muchos de estos monstruos espaciales acechan silenciosamente, como Sagitario A* (Sgr A*), que se encuentra en el corazón de la Vía Láctea, otros están devorando gas, polvo e incluso las estrellas que los rodean. Estos agujeros negros supermasivos forman parte de lo que se conoce como núcleos galácticos activos (AGN), y están rodeados de discos de gas y polvo que los alimentan. Estos discos se llaman discos de acreción. Las enormes influencias gravitacionales de estos agujeros negros que se alimentan activamente crean condiciones turbulentas en sus respectivos discos de acreción, haciendo que el entorno circundante brille intensamente.
Además, cualquier materia que no caiga en el agujero negro supermasivo es dirigida hacia los polos del titán cósmico mediante potentes campos magnéticos. Aquí, estas partículas cargadas se aceleran a velocidades cercanas a la de la luz, y estallan como chorros relativistas altamente colimados desde ambos polos del agujero negro. Esta erupción suele ir acompañada de una explosión de radiación electromagnética en el rango de longitudes de onda de la luz.
Como resultado, los núcleos galácticos activos y sus quásares asociados suelen ser tan brillantes que eclipsan la luz combinada de todas las estrellas de las galaxias que los rodean.
El equipo dice que a medida que el chorro que escapa de una de las galaxias gigantes en el centro de SDSS J1531 es empujado hacia afuera, está empujando gas caliente fuera del agujero negro. El equipo detrás de este estudio cree que esta actividad creó una cavidad gigante alrededor del vacío.
“Ya estamos observando este sistema tal como era hace cuatro mil millones de años, poco después de la formación de la Tierra”, dijo en un comunicado Osase Omoruyi, líder del equipo e investigador del Centro de Astrofísica de Harvard. “Esta antigua cavidad, un fósil de un agujero negro, nos habla de un evento clave que ocurrió casi 200 millones de años antes en la historia del cúmulo”.
La ilustración muestra chorros que escapan de ambos polos de un agujero negro supermasivo en el centro de un núcleo galáctico activo.
Al reconstruir esta turbulenta secuencia de eventos utilizando Chandra, Omoruyi y sus colegas rastrearon los movimientos de gas denso cerca del corazón de SDSS J1531. Esto reveló brillantes “alas” de rayos X en el borde de la cavidad. Los datos de ondas de radio de LOFAR mostraron al equipo restos de partículas energéticas asociadas con la erupción, evidencia irrefutable de esta antigua y poderosa erupción.
“Este sistema claramente tiene un agujero negro muy activo que está en constante erupción y afecta en gran medida al gas que lo rodea”, dijo Davis. “Aquí encontramos la prueba irrefutable y vemos su impacto al mismo tiempo”.
La energía de eyección del avión se encuentra entre las más altas jamás registradas. Omoruyi explicó en el blog de Harvard que el avión liberó 100.000 billones de veces más energía de la que liberará el Sol en toda su vida.
“A medida que el chorro se extendía por el espacio, creó una burbuja gigante en el gas refrigerante, levantando y dispersando el material circundante”, continuó. “Aunque ocurrió hace casi 200 millones de años, el legado de la eyección permanece. El gas previamente elevado ahora se ha enfriado y está gravitando de regreso hacia el centro del cúmulo, proporcionando combustible fresco para la joven formación estelar de “cuentas en una cuerda”.
Omoruyi añadió que si bien el descubrimiento de esta fuerte salida es sorprendente en sí mismo, uno de los aspectos más notables de esta observación es el hecho de que la acumulación general se mantuvo estable.
Lo que el equipo aún tiene que descubrir es evidencia de un segundo potente chorro que podría haber estallado en la dirección opuesta y desde el otro polo del agujero negro supermasivo. Los investigadores creen que, con más estudios, se pueden encontrar pruebas de este chorro gemelo en las emisiones de rayos X y ondas de radio.
“Creemos que nuestra evidencia de esta enorme erupción es sólida, pero observaciones adicionales de Chandra y LOFAR lo confirmarán”, concluyó Omoruyi. “Esperamos aprender más sobre el origen de la cavidad que ya hemos descubierto y encontrar la que esperamos al otro lado del agujero negro”.
Mientras observaban los rayos X expulsados al Universo por un agujero negro supermasivo, los científicos descubrieron extraños destellos que resultaron ser reflejos recibidos desde el otro lado del agujero. Esta es la primera observación directa de la luz procedente de detrás de un agujero negro, un fenómeno predicho por la teoría general de la relatividad de Einstein pero aún no confirmado. Los resultados del estudio fueron publicados en la revista Nature.
El astrofísico de la Universidad de Stanford, Dan Wilkins, estaba estudiando el agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia a 800 millones de años luz de distancia cuando notó algo inesperado. Además de los brillantes destellos de rayos X, los telescopios registraron destellos adicionales que aparecieron más tarde que los principales, eran menos brillantes y de diferentes “colores”. Según los cálculos, estos reflejos, o ecos de luz, correspondían a rayos X reflejados desde la parte posterior del agujero negro.
“Cualquier luz que entra en un agujero negro no sale, por lo que no deberíamos poder ver lo que hay detrás del agujero negro”, dijo en Dan Wilkins, investigador del Instituto de Astrofísica y Cosmología de Partículas y de la Instalación Nacional del Acelerador. un comunicado de prensa de la universidad. Laboratorio SLAC de la Universidad de Stanford. “La razón por la que podemos ver esto es porque el agujero negro curva el espacio, curva la luz y retuerce los campos magnéticos alrededor de sí mismo”.
Una representación artística de la luz que proviene de detrás de un agujero negro. Daniel Wilkins
La investigación se centró inicialmente en estudiar la corona, elemento que poseen algunos agujeros negros. El material que cae en un agujero negro supermasivo alimenta las fuentes de luz continua más brillantes del Universo y, al hacerlo, forma una corona de luz de rayos X alrededor del agujero negro.
La teoría actual afirma que la formación de este elemento comienza cuando el gas cae en un agujero negro, donde se sobrecalienta a millones de grados. A esta temperatura, los electrones se separan de los átomos, creando un plasma magnetizado. Atrapado en el poderoso giro del agujero negro, el campo magnético se dobla sobre el agujero negro y gira alrededor de sí mismo con tanta violencia que eventualmente colapsa por completo. La situación recuerda a lo que ocurre alrededor del Sol. Por eso, los científicos, por analogía con la corona solar, llamaron a este fenómeno la corona de un agujero negro.
“Este campo magnético, acoplado y cercano al agujero negro, calienta todo y produce estos electrones de alta energía, que luego crean rayos X”, explica Wilkins. “Durante varios años había estado haciendo predicciones teóricas sobre cómo nos parecerían estos ecos, así que tan pronto como los vi a través del telescopio, supe con qué estaban conectados”.
“Hace cincuenta años, cuando los astrofísicos empezaron a pensar en cómo podría comportarse un campo magnético cerca de un agujero negro, no tenían idea de que algún día tendríamos métodos para observarlo directamente y ver la teoría general de la relatividad de Einstein en acción”, dice Otro. El autor del estudio es el profesor Roger Blandford de la Escuela de Artes y Ciencias de Stanford y profesor de física y física de partículas en SLAC.
Los autores seguirán describiendo y estudiando las coronas de los agujeros negros. Tienen esperanzas especiales en el telescopio espacial Athena de la Agencia Espacial Europea, cuyo lanzamiento está previsto para 2031.