Los agujeros negros tempranos pueden haber crecido en ajustes y espolones

X-ray Image of Chandra Deep Field-South with Illustration of a Disk Around a Black Hole
Usando datos de Chandra y de la encuesta sobre el cielo digital de Sloan, los científicos han encontrado evidencia de que los agujeros negros super masivos en el universo primitivo crecieron intermitentemente en los primeros mil millones de años después del Big Bang.
Créditos: radiografía: NASA/CXC/Univ. de URRome/E.Pezzulli et al. ilustración: URNASA/CXC/M.Weiss

Una pregunta de larga data en Astrofísica es: ¿Cómo y cuándo aparecieron los agujeros negros super masivos y crecieron en el universo primitivo? La nueva investigación que utiliza el Observatorio Chandra x-ray de la NASA y la encuesta sobre el cielo digital de Sloan (SDSS) sugieren que una respuesta a esta pregunta radica en la forma intermitente en que los agujeros negros gigantes pueden consumir material en los primeros mil millones de años después del Big Bang.

Los astrónomos han determinado que el Big Bang ocurrió hace unos 13.800.000.000 años y tienen evidencia de la SDSS de que los agujeros negros super masivos con masas de alrededor de mil millones de veces que el del Sol existía por alrededor de 12.800.000.000 años atrás. Esto implica que los agujeros negros super masivos crecieron rápidamente en los primeros mil millones años después del estallido grande. Sin embargo, los científicos han luchado por encontrar señales de estos gigantescos agujeros negros.

"Los agujeros negros super masivos no nacen espontáneamente--necesitan ingerir grandes cantidades de material y eso lleva tiempo", dijo el autor principal Edwige Pezzulli, estudiante de doctorado de la Universidad de Roma en Italia y miembro del proyecto "First", financiado por el Consejo Europeo de investigación. "estamos tratando de averiguar cómo han hecho esto sin renunciar a muchos signos reveladores de este crecimiento."

Cuando el material está cayendo hacia un agujero negro, se calienta, y produce grandes cantidades de radiación electromagnética, incluyendo copiosa emisión de rayos x. Los agujeros negros rápidamente crecientes en el universo muy temprano deben ser perceptibles con Chandra. Sin embargo, estos agujeros negros super masivos crecientes han demostrado ser evasivos, con solamente algunos, todavía ser candidatos confirmados encontrados en observaciones muy largas de Chandra tales como campo profundo de Chandra-del sur, la imagen más profunda de Rayos X nunca tomada.

Para abordar este acertijo, Pezzulli y sus colegas examinaron diferentes modelos teóricos y los probaron con datos ópticos de los datos de SDSS y de rayos x de Chandra. Sus hallazgos indican que el agujero negro que se alimenta durante esta era puede encenderse abruptamente y durar por períodos cortos de tiempo, lo que significa que este crecimiento puede ser difícil de detectar.

"En nuestro modelo sólo alrededor de un tercio de los agujeros negros fueron activamente consumiendo material y creciendo hace 13.000.000.000 años", dijo el coautor rosa Valiante del Instituto Nacional de Astrofísica (INAF) en Italia y miembro del primer equipo. "cerca de 200.000.000 años antes sólo el 3% de los agujeros negros estaban comiendo activamente." Momento, parece, puede ser todo.

A los científicos les gustaría aprender sobre los primeros agujeros negros supermasivos en el universo. Créditos: NASA/CXO

Los investigadores alcanzaron sus conclusiones después de probar hipótesis múltiples, todas las cuales asumieron que el crecimiento del agujero negro podría exceder el límite supuesto de Eddington, donde la presión exterior de la radiación del gas caliente balancea el tirón interno de la gravedad del agujero negro.

Los resultados de los autores discutieron contra la posibilidad que solamente una pequeña fracción de galaxias durante los primeros mil millones años después del estallido grande contienen agujeros negros super masivos. También, aunque estos agujeros negros tempranos probablemente fueron oscurecidos por las nubes gruesas del material, los autores encontraron que la mayor parte de los rayos x habrían podido penetrar estas nubes.

El estudio se basa en la idea de que cuando nacieron, los primeros agujeros negros pesaban sólo unos cien soles. "estas semillas" ligeras "de agujeros negros podrían ser los remanentes de la primera generación de estrellas masivas formadas sólo unos pocos 100.000.000 años después del Big Bang", dijo la coautor Maria Orofino, estudiante de doctorado de la Scuola Normale Superiore en Italia.

Los investigadores, un equipo de mujeres científicas, incluyendo Simona Gallerani de Scuola Normale Superiore en Pisa y Tullia Sbarrato de la Universidad Bicocca de Milán, en Italia, se encontró que los agujeros negros pueden abultar tanto en sus explosiones relativamente raras de crecimiento intenso que las semillas ligeras pueden llegar a mil millones de veces la masa del Sol cuando el universo es sólo  de 1.000.000.000 de años de edad.

"para saber si en última instancia somos correctos," vamos a tener que mirar las franjas más grandes del cielo en los rayos x para ver si podemos encontrar los primeros y festivos agujeros negros que nuestros modelos han pronosticado ", dijo Raffaella Schneider, de la Universidad de Sapienza en Italia y líder del proyecto ERC primero. "nuestros resultados ciertamente muestran su promesa."

Un documento que describe estos resultados recientemente apareció en el número de abril de 2017 de los avisos mensuales de la Royal astronómica Society y está disponible en línea. El centro Marshall de vuelos espaciales de la NASA en Huntsville, Alabama, administra el programa Chandra para la dirección de la misión científica de la NASA en Washington. El Observatorio Astrofísico del Smithsonian en Cambridge, Massachusetts, controla la ciencia y las operaciones de vuelo de Chandra.

Molly Porter
NASA Marshall Space Flight Center, Huntsville, Ala.
+1 256-424-5158
molly.a.porter@nasa.gov

Megan Watzke
Chandra X-ray Center, Cambridge, Mass.
+1 617-496-7998
mwatzke@cfa.harvard.edu
Last Updated: May 31, 2017
Editor: Lee Mohon

Traducción: El Quelonio Volador

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