Mientras estudiaban un par de galaxias cercanas que se fusionaban utilizando el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un observatorio internacional operado por el Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO) de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos, los científicos descubrieron dos agujeros negros supermasivos que crecen simultáneamente cerca del centro de la galaxia recién fusionada. Estos gigantes súper hambrientos son los más cercanos que los científicos han observado en múltiples longitudes de onda. Además, la nueva investigación revela que los agujeros negros binarios y las fusiones de galaxias que los crean pueden ser sorprendentemente comunes en el Universo. Los resultados de la nueva investigación se publicaron el 9 de enero en The Astrophysical Journal Letters y se presentaron en una conferencia de prensa en la 241ª reunión de la Sociedad Astronómica Americana (AAS) en Seattle, Washington. A solo 500 millones de años luz de distancia de la Tierra en la constelación de Cáncer, UGC4211 es un candidato ideal para estudiar las etapas finales de las fusiones de galaxias, que ocurren con mayor frecuencia en el Universo distante y, como resultado, pueden ser difíciles de observar. Cuando los científicos utilizaron los receptores altamente sensibles de 1,3 mm de ALMA para profundizar en los núcleos galácticos activos de la fusión, áreas compactas y altamente luminosas en las galaxias causadas por la acumulación de materia alrededor de los agujeros negros centrales, encontraron no uno, sino dos agujeros negros devorando glotonamente los subproductos de la fusión. Sorprendentemente, estaban cenando lado a lado con solo 750 años luz entre ellos.
El par de galaxias en fusión conocidas como UGC 4211 albergan un gran secreto: un par de agujeros negros que están comiendo juntos, engulliendo el gas y el polvo a su alrededor. Los científicos encontraron y confirmaron la existencia del par, que está a solo 750 años luz de distancia, con observaciones de múltiples proyectos de investigación y telescopios: el Dark Energy Camera Legacy Survey (DECalS) en el telescopio Blanco de 4 metros en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO), el Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) en el Very Large Telescope (VLT) de ESO, el Observatorio Keck, y el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Observar las galaxias en múltiples longitudes de onda ayudó a los científicos a ver que había más que una fusión entre el par. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Koss/Eureka Scientific et al.
“Las simulaciones sugirieron que la mayoría de la población de binarios de agujeros negros en galaxias cercanas estaría inactiva porque son más comunes, no dos agujeros negros en crecimiento como los que encontramos”, dijo Michael Koss, científico investigador principal de Eureka Scientific y autor principal de la nueva investigación. Koss agregó que el uso de ALMA fue un cambio de juego, y que encontrar dos agujeros negros tan juntos en el Universo cercano podría allanar el camino para estudios adicionales del emocionante fenómeno. “ALMA es único en el sentido de que puede ver a través de grandes columnas de gas y polvo y lograr una resolución espacial muy alta para ver las cosas muy juntas. Nuestro estudio ha identificado uno de los pares más cercanos de agujeros negros en una fusión de galaxias, y debido a que sabemos que las fusiones de galaxias son mucho más comunes en el Universo distante, estos binarios de agujeros negros también pueden ser mucho más comunes de lo que se pensaba”.
Si los pares binarios de agujeros negros de par cerrado son realmente comunes, como postulan Koss y el equipo, podría haber implicaciones significativas para futuras detecciones de ondas gravitacionales. Ezequiel Treister, astrónomo de la Universidad Católica de Chile y coautor de la investigación, dijo: “Podría haber muchos pares de agujeros negros supermasivos en crecimiento en los centros de las galaxias que no hemos podido identificar hasta ahora. Si este es el caso, en un futuro cercano estaremos observando frecuentes eventos de ondas gravitacionales causadas por las fusiones de estos objetos en todo el Universo”. El emparejamiento de los datos de ALMA con observaciones de múltiples longitudes de onda de otros poderosos telescopios como Chandra, Hubble, el Very Large Telescope de ESO y Keck agregó detalles finos a una historia ya convincente. “Cada longitud de onda cuenta una parte diferente de la historia. Mientras que las imágenes ópticas terrestres nos mostraron toda la galaxia fusionándose, el Hubble nos mostró las regiones nucleares a altas resoluciones. Las observaciones de rayos X revelaron que había al menos un núcleo galáctico activo en el sistema”, dijo Treister. “Y ALMA nos mostró la ubicación exacta de estos dos agujeros negros supermasivos hambrientos y en crecimiento. Todos estos datos juntos nos han dado una imagen más clara de cómo las galaxias como la nuestra resultaron ser como son, y en qué se convertirán en el futuro”.
Representación esquemática de las etapas más importantes y los mecanismos físicos críticos que impulsan la fusión de dos agujeros negros supermasivos y sus correspondientes escalas temporales y espaciales representativas. Crédito: José Utreras/Ezequiel Treister, Centro de Astrofísica y Tecnologías Asociadas (CATA); Michael Koss (Eureka Scientific), et al.
Hasta ahora, los científicos han estudiado principalmente solo las primeras etapas de las fusiones de galaxias. La nueva investigación podría tener un profundo impacto en nuestra comprensión de la inminente fusión de la Vía Láctea con la cercana galaxia de Andrómeda. Koss dijo: “La colisión entre la Vía Láctea y Andrómeda se encuentra en sus primeras etapas y se prevé que ocurra en unos 4.500 millones de años. Lo que acabamos de estudiar es una fuente en la etapa final de la colisión, por lo que lo que estamos viendo presagia esa fusión y también nos da una idea de la conexión entre los agujeros negros que se fusionan y crecen y, finalmente, producen ondas gravitacionales”. “Este fascinante descubrimiento muestra el poder de ALMA y cómo la astronomía de múltiples longitudes de onda puede generar resultados importantes que amplían nuestra comprensión del universo, incluidos los agujeros negros, los núcleos galácticos activos, la evolución de las galaxias y más”, dice Joe Pesce, director del programa NSF para el Observatorio Nacional de Radioastronomía. “Con el advenimiento de los detectores de ondas gravitacionales, tenemos la oportunidad de expandir nuestros poderes de observación aún más combinando todas estas capacidades. No creo que realmente haya un límite para lo que podemos aprender”. Para obtener más información sobre esta investigación, consulte Agujeros negros supermasivos en ruta a una colisión cataclísmica.
Referencia: “UGC 4211: A Confirmed Dual Active Galactic Nucleus in the Local Universe at 230 pc Nuclear Separation” por Michael J. Koss, Ezequiel Treister, Darshan Kakkad, J. Andrew Casey-Clyde, Taiki Kawamuro, Jonathan Williams, Adi Foord, Benny Trakhtenbrot, Franz E. Bauer, George C. Privon, Claudio Ricci, Richard Mushotzky, Loreto Barcos-Munoz, Laura Blecha, Thomas Connor, Fiona Harrison, Tingting Liu, Macon Magno, Chiara M. F. Mingarelli, Francisco Muller-Sanchez, Kyuseok Oh, T. Taro Shimizu, Krista Lynne Smith, Daniel Stern, Miguel Parra Tello y C. Megan Urry, 9 de enero de 2023, The Astrophysical Journal Letters. DOI: 10.3847/2041-8213/aca8f0
Descripción de la imagen de la portada: Los científicos que utilizaron el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para profundizar en el corazón del par de galaxias en fusión conocidas como UGC 4211 descubrieron dos agujeros negros que crecen uno al lado del otro, a solo 750 años luz de distancia. La concepción de este artista muestra la fusión de galaxias en etapa tardía y sus dos agujeros negros centrales. Los agujeros negros binarios son los más cercanos jamás observados en múltiples longitudes de onda. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); M. Weiss (NRAO/AUI/NSF)