Los astrónomos descubren un vínculo entre los agujeros negros supermasivos y la formación de galaxias

NSF/Ciencia Kanija
05/02/09

Una pareja de astrónomos de Texas y Alemania han usado un telescopio del Observatorio McDonald de la Universidad de Texas en Austin junto con el Telescopio Espacial Hubble y muchos otros telescopios de todo el mundo para descubrir nuevas pruebas de que las galaxias más grandes y masivas del universo y los agujeros negros supermasivos en sus corazones crecieron juntos a lo largo del tiempo.

“Evolucionaron simultáneamente”, dijo John Kormendy de la Universidad de Texas en Austin, que fue coautor de la investigación junto a Ralf Bender del Instituto Max Planck para Física Extraterrestre en Alemania y Ludwig Maximilians del Observatorio de la Universidad. Los resultados se publican en el ejemplar de esta semana de la revista Astrophysical Journal Letters.

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Los astrónomos saben que las galaxias, esas vastas ciudades de millones o miles de millones de estrellas, crecen a través de colusiones y fusiones. El trabajo de Kormendy y Bender implica a las mayores galaxias del universo — “las galaxias elípticas” que tienen una forma aproximada a un balón de rugby y que pueden estar hechas de hasta billones de estrellas. Virtualmente todas estas galaxias contienen un agujero negro en sus centros, es decir, una región infinitamente densa que contiene la masa de millones o miles de millones de veces la del Sol y de la cual no puede escapar la luz.

Una teoría principal actual dice que cuando colisionan las galaxias, sus agujeros negros terminan orbitándose entre sí. Juntos, los dos agujeros negros actúan como una batidora: Agitan violentamente el centro galáctico con si increíblemente potente gravedad, y arrojan estrellas fuera de las regiones centrales. Cuando el par de agujeros negros cae al centro del nuevo remanente de la fusión, este núcleo supergaláctico carece de estrellas que han salido volando. Kormendy y Bender midieron la atenuación resultante de tales núcleos galácticos, el conocido como “déficit de luz”.

El déficit de luz en los núcleos galácticos es sorprendente a la vista de décadas de trabajo por parte de muchos astrónomos, incluyendo a Kormendy y Bender, los cuales demostraron que las mayores galaxias elípticas contienen los agujeros negros más masivos en sus centros. Estos son monstruos que “pesan” mil millones de veces la masa del Sol. Atraen las estrellas alrededor de ellos con una gravedad ferozmente potente. Los astrónomos esperan que unos agujeros negros tan masivos tirasen de las estrellas de la galaxia hacia un diminuto y denso cúmulo en el centro. Pero observaciones en la década de 1980 con telescopios terrestres y observaciones mucho mejores en la década de 1990 con el Telescopio Espacial Hubble revelaron lo contrario. Las mayores galaxias tenían grandes y dispersos centros de baja densidad. ¿Por qué los agujeros negros no están rodeados por densos cúmulos de estrellas? ¿Dónde están las estrellas que faltan?

La teoría de que los agujeros negros binarios lanzan gravitatoriamente a las estrellas fuera de los centros galácticos ha sido la explicación popular pero no demostrada. Ninguna observación con telescopios proporcionó una evidencia contundente – hasta ahora.

“Nuestras nuevas observaciones son sólidas y un vínculo directo entre los agujeros negros y las propiedades del centro de la galaxia”, dice Kormendy. “Son el “arma humeante” que conecta los agujeros negro con la formación de los sorprendentemente dispersos centros de las galaxias elípticas gigantes”.

Kormendy y Bender hicieron estudios detallados de 11 galaxias en el Cúmulo de Virgo. Para lograr una descripción global exhaustiva de cada galaxia, usaron la visión de gran angular de la Cámara de Foco Principal en el Telescopio de 0,8 metros del Observatorio McDonald. Usaron el Telescopio Espacial Hubble para estudiar estos mismos núcleos galácticos en mayor detalle. Se usaron muchos otros telescopios para conectar los datos centrales de Hubble con los datos externos del telescopios McDonald. Los resultados sobre 27 galaxias elípticas en el Cúmulo de Virgo medidas por Kormendy, Bender, y sus colegas de la Universidad de Texas David Fisher y Mark Cornell, y patrocinados por la Fundación Nacional de Ciencia, tienen prevista su publicación en un próximo ejemplar de Astrophysical Journal Supplement Series.

Sus medidas de precisión del brillo – es decir, el número de estrellas — a distintas distancias del centro de las galaxias elípticas les permitieron calcular con mucha más exactitud que anteriormente las masas de estrellas “que faltan” en el centro de las elípticas más grandes. Esto reveló más sorpresas: La masa perdida se incrementaba de forma análoga a la masa medida en los agujeros negros centrales. Se sabía que ambas cantidades estaban relacionadas, pero no que la correlación era tan estrecha como para estar dentro del margen de error. Es decir, que la correlación es virtualmente perfecta.

La masa perdida también se incrementa simultáneamente con otra propiedad de la galaxia conocida por estar directamente relacionada con los agujeros negros, y es la velocidad a la que se forman las estrellas más lejos en la propia galaxia, donde no pueden sentir la gravedad del agujero negro.

“A los astrónomos les encantan las correlaciones estrechas”, dice Bender. “Nos dicen lo que están conectado y con qué. Las nuevas observaciones nos dan unas pruebas mucho más sólidas de que los agujeros negros controlan la formación galáctica, al menos en sus centros “.

De acuerdo con Linda Sparke, directora del programa de la NSF para ciencias astronómicas, “Esta valiosa investigación demuestra cómo los agujeros negros crecen junto con la galaxia. Son grandes noticias. Hemos aceptado desde hace mucho tiempo que los agujeros negros no se colocan aleatoriamente en las galaxias. Las galaxias más luminosas albergan los agujeros negros más masivos. Pero no aún no sabíamos cómo los agujeros negros y las galaxias influyen entre sí. Kormendy y Bender han visto la huella de pares de agujeros negros fusionándose en los centros de enormes galaxias elípticas, revelando las pruebas de que los mayores agujeros negros se forman después de que colisionen galaxias menores para producir un sistema más grande”.

Kormendy añade finalmente, “Hemos creído desde hace mucho que los agujeros negros alimentan los quásares en los núcleos galácticos, los cuales son los objetos más brillantes del universo. Y hemos llegado a sospechar que poner agujeros negros gigantes en los centros de galaxias jóvenes e iluminar tanta luz de quásar sobre ellas afecta a la formación de la galaxia. En otras palabras, sospechamos que el estudio de los quásares y el estudio de las galaxias son el mismo tema. No podemos comprender una sin la otra.

“Creemos que haber ayudado a fusionar estos temas conectando directamente los agujeros negros a la estructura de la galaxia”, comenta. “John Muir en su famosa cita comenta que todo está relacionado con todo lo demás en el mundo. Cuando encontramos que temas distintos están relacionados, construimos una teoría de formación galáctica en la que tenemos confianza”.