Un agujero negro supermasivo fue expulsado de la galaxia que habitaba y ahora está vagando por el universo

Los agujeros negros supermasivos son objetos con masas que oscilan entre millones y miles de millones de masas solares y se encuentran en el centro de la mayoría de las galaxias observadas. La evidencia indica que prácticamente todas las galaxias elípticas y espirales, incluida la Vía Láctea con Sagitario A*, albergan un agujero negro supermasivo central. Estos objetos ejercen una fuerte influencia gravitacional sobre el núcleo galáctico y parecen estar correlacionados con la evolución galáctica.

Aún desconocemos el origen de los agujeros negros supermasivos, cómo llegaron al centro de las galaxias ni por qué todas las galaxias tienen uno. Las observaciones muestran correlaciones entre la masa del agujero negro y las propiedades globales de la galaxia anfitriona, como la dispersión de la velocidad de las estrellas en el bulbo y la masa estelar total. Estas correlaciones sugieren que podría haber coevolución entre las galaxias y sus agujeros negros centrales. Sin embargo, aún no se sabe con certeza si los agujeros negros supermasivos surgieron primero o si las galaxias surgieron primero.

Recientemente, observaciones realizadas con el James Webb revelaron evidencia de un agujero negro supermasivo aparentemente eyectado de su galaxia anfitriona. Los datos muestran una estela de emisión que indica que el agujero negro podría haber sido eyectado del centro de la galaxia. El equipo de investigación analizó las propiedades de la trayectoria del agujero negro supermasivo para comprender cómo ocurrió el proceso de eyección. Este es un caso inusual de un agujero negro supermasivo deambulando por el universo.

Agujeros negros supermasivos

Los agujeros negros son objetos cuya masa puede ir desde unos pocos millones hasta miles de millones de masas solares. Cuando un agujero negro se encuentra en este rango de masas, se denomina agujero negro supermasivo. Estos objetos se encuentran en el centro de las galaxias y ya han sido observados directamente por el Telescopio del Horizonte de Eventos con las fotografías de M87* y Sagitario A* publicadas en 2019 y 2022, respectivamente.

Cuando estos objetos se encuentran en su fase activa, acumulan materia y forman un disco caliente y energético. Este disco produce radiación y, en algunos casos, chorros relativistas que pueden extenderse varios años luz. Además, los agujeros negros supermasivos presentan correlaciones con las propiedades de sus galaxias anfitrionas.

Estas correlaciones sugieren un proceso coevolutivo entre el crecimiento del agujero negro y la formación de galaxias. Ello también indica que existe un proceso mediado por la retroalimentación energética del agujero negro que regula la formación estelar.

El misterio de estos objetos

A pesar de décadas de observación de estos objetos, aún se desconoce cómo se formaron los agujeros negros supermasivos ni cómo alcanzaron el centro de las galaxias. Este sigue siendo uno de los principales misterios de la evolución de los objetos en el Universo.

Los principales escenarios de formación incluyen el colapso directo de nubes de gas primordiales o el crecimiento gradual de núcleos más pequeños mediante acreción y fusiones. Ninguno de estos modelos explica completamente la existencia de estos objetos cuando el universo tenía menos de mil millones de años.

El Telescopio Espacial James Webb fue diseñado precisamente para investigar este problema mediante la observación de galaxias con altos corrimientos al rojo, es decir, durante la juventud del universo. Sus datos nos permiten identificar candidatos a agujeros negros primordiales, medir las tasas de acreción y caracterizar las primeras galaxias. Al mapear la coevolución entre los agujeros negros y sus galaxias anfitrionas en el universo joven, el James Webb nos ayuda a comprender mejor cómo pudo haber ocurrido el proceso de formación.

El agujero negro que fue expulsado

Con este objetivo en mente, un grupo de investigadores utilizó observaciones del Telescopio Espacial James Webb para estudiar agujeros negros supermasivos. En algunas de estas observaciones, el grupo detectó un caso de un agujero negro supermasivo que fue expulsado de su galaxia anfitriona. Según el análisis, el objeto tiene alrededor de 10 millones de masas solares y se mueve a aproximadamente 1000 km/s. Esta velocidad llamó la atención porque es relativamente alta en comparación con algunos procesos dinámicos en las galaxias.

La eyección de un agujero negro supermasivo puede ocurrir tras la fusión de dos agujeros negros supermasivos. Los datos del JWST muestran que el agujero negro que escapa interactúa con el medio interestelar, creando una estructura a escala galáctica y una estela de aproximadamente 200.000 años luz. En esta estela, el gas se comprime y enfría, desencadenando episodios de formación estelar. En otras palabras, el agujero negro dejó tras de sí una estela de estrellas en formación.

¿Cómo escapan los agujeros negros?

Los agujeros negros supermasivos pueden escapar de sus galaxias mediante un proceso llamado retroceso gravitacional. El retroceso gravitacional es un efecto relativista que se produce tras la fusión de dos agujeros negros que emiten ondas gravitacionales con un momento lineal desigual. Como consecuencia, el agujero negro resultante recibe un impulso que puede expulsarlo de su galaxia si es lo suficientemente intenso y alcanza velocidades superiores a la velocidad de escape.

Un segundo mecanismo por el cual los agujeros negros pueden ser expulsados de sus galaxias implica interacciones dinámicas de tres cuerpos en el centro de las galaxias en fusión. Si una galaxia ya contiene un sistema binario de agujeros negros supermasivos y se introduce un tercer agujero negro durante una nueva fusión, el sistema se vuelve inestable. La redistribución de energía y momento orbital provoca la aceleración y expulsión de uno de los agujeros negros del sistema.

Referencia de la noticia

van Dokkum et al. JWST Confirmation of a Runaway Supermassive Black Hole via its Supersonic Bow Shock arXiv