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| Impresión artística de un disco de acreción que gira en torno a un agujero negro supermasivo invisible. El proceso de acreción produce fluctuaciones aleatorias en la luminosidad del disco a lo largo del tiempo, un patrón que está relacionado con la masa del agujero negro en un nuevo estudio dirigido por investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. Crédito: Gráfico cortesía de Mark A. Garlick/Simons Foundation |
Los agujeros negros supermasivos tienen entre millones y miles de millones de veces más masa que el sol y suelen estar en el centro de galaxias masivas. Cuando están inactivos y no se alimentan del gas y las estrellas que los rodean, los SMBH emiten muy poca luz; la única forma en que los astrónomos pueden detectarlos es a través de sus influencias gravitatorias sobre las estrellas y el gas que se encuentran en sus proximidades. Sin embargo, en el universo primitivo, cuando los SMBH crecían rápidamente, se alimentaban activamente -o acretaban- materiales a un ritmo intenso y emitían una enorme cantidad de radiación, que a veces eclipsaba a toda la galaxia en la que residían, señalan los investigadores.
El nuevo estudio, dirigido por el estudiante graduado de astronomía de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, Colin Burke, y el profesor Yue Shen, descubrió una relación definitiva entre la masa de los SMBH que se alimentan activamente y la escala de tiempo característica en el patrón de parpadeo de la luz. Los resultados se publican en la revista Science.
La luz observada de un SMBH en acreción no es constante. Debido a procesos físicos que aún no se comprenden, muestra un parpadeo omnipresente a lo largo de escalas de tiempo que van desde horas hasta décadas. "Ha habido muchos estudios que han explorado las posibles relaciones del parpadeo observado y la masa del SMBH, pero los resultados no han sido concluyentes y a veces han sido controvertidos", dijo Burke.
El equipo recopiló un gran conjunto de datos de SMBHs que se alimentan activamente para estudiar el patrón de variabilidad del parpadeo. Identificaron una escala de tiempo característica, a lo largo de la cual el patrón cambia, que se correlaciona estrechamente con la masa del SMBH. A continuación, los investigadores compararon los resultados con enanas blancas en proceso de acreción, los restos de estrellas como nuestro sol, y descubrieron que se mantiene la misma relación entre la escala de tiempo y la masa, a pesar de que las enanas blancas son entre millones y miles de millones de veces menos masivas que los SMBH.
Según los investigadores, los parpadeos de luz son fluctuaciones aleatorias en el proceso de alimentación de un agujero negro. Los astrónomos pueden cuantificar este patrón de parpadeo midiendo la potencia de la variabilidad en función de las escalas de tiempo. En el caso de los SMBH en proceso de acreción, el patrón de variabilidad cambia de escalas de tiempo cortas a escalas de tiempo largas. Esta transición del patrón de variabilidad se produce en una escala de tiempo característica que es más larga para los agujeros negros más masivos.
El equipo comparó la alimentación de los agujeros negros con nuestra actividad de comer o beber, equiparando esta transición a un eructo humano. Los bebés suelen eructar mientras toman leche, mientras que los adultos pueden aguantar el eructo durante más tiempo. Los agujeros negros hacen más o menos lo mismo mientras se alimentan, dijeron.
"Estos resultados sugieren que los procesos que impulsan el parpadeo durante la acreción son universales, tanto si el objeto central es un agujero negro supermasivo como una enana blanca mucho más ligera", dijo Shen.
"El establecimiento firme de una conexión entre el parpadeo de la luz observado y las propiedades fundamentales del acreedor nos ayudará sin duda a comprender mejor los procesos de acreción", dijo Yan-Fei Jiang, investigador del Instituto Flatiron y coautor del estudio.
Los agujeros negros astrofísicos presentan un amplio espectro de masas y tamaños. Entre la población de agujeros negros de masa estelar, que pesan menos de varias decenas de veces la masa del sol, y los SMBH, hay una población de agujeros negros llamados de masa intermedia que pesan entre unas 100 y 100.000 veces la masa del sol.
Se espera que los IMBH se formen en gran número a lo largo de la historia del universo, y pueden proporcionar las semillas necesarias para convertirse en SMBH más adelante. Sin embargo, desde el punto de vista observacional, esta población de IMBHs es sorprendentemente esquiva. Sólo hay un IMBH indiscutiblemente confirmado que pesa unas 150 veces la masa del sol. Pero ese IMBH fue descubierto por casualidad gracias a la radiación de ondas gravitacionales procedente de la coalescencia de dos agujeros negros menos masivos.
"Ahora que existe una correlación entre el patrón de parpadeo y la masa del objeto central de acreción, podemos utilizarla para predecir cómo podría ser la señal de parpadeo de un IMBH", dijo Burke.
Los astrónomos de todo el mundo están esperando el inicio oficial de una era de sondeos masivos que vigilan el cielo dinámico y variable. El Observatorio Vera C. Rubin, en Chile, realizará un sondeo del cielo durante una década y recogerá datos sobre el parpadeo de la luz de miles de millones de objetos, a partir de finales de 2023.
"La explotación del conjunto de datos del LSST para buscar patrones de parpadeo que sean consistentes con los IMBH en acreción tiene el potencial de descubrir y comprender plenamente esta misteriosa población de agujeros negros que se ha buscado durante mucho tiempo", dijo el coautor Xin Liu, profesor de astronomía de la U. de I.
Fuentes, créditos y referencias:
“A characteristic optical variability timescale in astrophysical accretion disks” 12 August 2021, Science.
DOI: 10.1126/science.abg9933