Enormes burbujas en el centro de la Vía Láctea son causadas por agujero negro supermasivo         

Por la Universidad de Michigan

08 de marzo de 2022.

El equipo de visualización de la NASA creó una superposición de una imagen de la Vía Láctea, tomada por el observatorio espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea, y una visualización de las simulaciones de las burbujas eRosita y Fermi preparadas por Karen Yang (autora principal del estudio y profesora asistente de la Universidad Nacional Tsing Hua en Taiwán) en cooperación con los coautores del artículo Mateusz Ruszkowski (Universidad de Michigan) y Ellen Zweibel (Universidad de Wisconsin). Crédito: ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 OIG

En 2020, el telescopio de rayos X eRosita tomó imágenes de dos enormes burbujas que se extendían muy por encima y por debajo del centro de nuestra galaxia.

Desde entonces, los astrónomos han debatido su origen. Ahora, un estudio que incluye una investigación de la Universidad de Michigan  sugiere que las burbujas son el resultado de un poderoso chorro de actividad del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea. El estudio, publicado en Nature Astronomy, también muestra que el chorro comenzó a arrojar material hace unos 2,6 millones de años y duró unos 100.000 años.

Los resultados del equipo sugieren que las burbujas de Fermi, descubiertas en 2010, y la neblina de microondas, una niebla de partículas  cargadas aproximadamente en el centro de la galaxia, se formaron por el mismo chorro de energía del agujero negro supermasivo. El estudio fue dirigido por la Universidad Nacional Tsing Hua en colaboración con la UM y la Universidad de Wisconsin.

"Nuestros hallazgos son importantes en el sentido de que necesitamos comprender cómo interactúan los agujeros negros con las galaxias en  las que se encuentran, porque esta interacción permite que estos agujeros negros crezcan de forma controlada en lugar de crecer sin control", dice el astrónomo de la UM. Mateusz Ruszkowski, coautor del estudio. "Si crees que el modelo de estas burbujas de Fermi o eRosita son impulsadas por agujeros negros supermasivos, puedes comenzar a responder estas preguntas profundas".

Hay dos modelos en competencia que explican estas burbujas, llamadas burbujas de Fermi y eRosita por los telescopios que las detectaron, dice Ruszkowski. El primero sugiere que el flujo de salida es impulsado por un estallido estelar nuclear, en el que una estrella explota en una supernova y expulsa material. El segundo modelo, que respaldan los hallazgos del equipo, sugiere que estos flujos de salida son impulsados ​​​​por la energía expulsada de un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia.

Estos flujos de salida de los agujeros negros ocurren cuando el material viaja hacia el agujero negro, pero nunca cruza el horizonte de eventos del agujero negro o la superficie matemática debajo de la cual nada puede escapar. Debido a que parte de este material se devuelve al espacio, los agujeros negros no crecen sin control. Pero la energía lanzada desde el agujero negro desplaza material cerca del agujero negro, creando estas grandes burbujas.

Las estructuras en sí tienen 11 kiloparsecs de altura. Un parsec equivale a 3,26 años luz, o aproximadamente tres veces la distancia que  recorre la luz en el transcurso de un año. Las estructuras, entonces, tienen casi 36.000 años luz de altura.

A modo de comparación, la galaxia Vía Láctea tiene 30 kiloparsecs de diámetro y nuestro Sistema Solar reside a unos 8 kiloparsecs del centro de la galaxia. Las burbujas eRosita tiene aproximadamente dos veces el tamaño de las burbujas de Fermi y se expanden por la ola de energía, u onda de choque, expulsada por las burbujas de Fermi, según los investigadores.

Los astrónomos están interesados ​​en la observación de estas burbujas de eRosita en particular porque ocurren en nuestro propio patio  trasero galáctico en lugar de objetos en una galaxia diferente o en una distancia cosmológica extrema. Nuestra proximidad a los flujos de salida significa que los astrónomos pueden recopilar una enorme cantidad de datos, dice Ruszkowski. Estos datos pueden indicar a los astrónomos la cantidad de energía en el chorro del agujero negro, cuánto tiempo se inyectó esta energía y qué material comprende las burbujas.

"No solo podemos descartar el modelo de estallido estelar, sino que también podemos ajustar los parámetros que se necesitan para producir  las mismas imágenes, o algo muy similar a lo que hay en el cielo, dentro de ese modelo de agujero negro supermasivo", dice Ruszkowski. "Podemos restringir mejor ciertas cosas, como cuánta energía se bombeó, qué hay dentro de estas burbujas y cuánto tiempo se inyectó la energía para producir estas burbujas".

¿Qué hay dentro de ellos? Rayos cósmicos, una forma de radiación de alta energía. Las burbujas de eRosita encierran las burbujas de Fermi,  cuyo contenido se desconoce. Pero los modelos de los investigadores pueden predecir la cantidad de rayos cósmicos dentro de cada una de las estructuras. La inyección de energía del agujero negro infló las burbujas, y la energía en sí misma estaba en forma de energía cinética, térmica y de rayos cósmicos. De estas formas de energía, la misión Fermi solo pudo detectar la señal de rayos gamma de los rayos cósmicos.

Karen Yang, autora principal del estudio y profesora asistente en la Universidad Nacional Tsing Hua en Taiwán, comenzó a trabajar en una  versión temprana del código utilizado en el modelado de este artículo como investigadora postdoctoral en la UM con Ruszkowski. Para llegar a sus conclusiones, los investigadores realizaron simulaciones numéricas de liberación de energía que tienen en cuenta la hidrodinámica, la gravedad y los rayos cósmicos.

"Nuestra simulación es única porque tiene en cuenta la interacción entre los rayos cósmicos y el gas dentro de la Vía Láctea. Los rayos  cósmicos, inyectados con los chorros del agujero negro, se expanden y forman las burbujas de Fermi que brillan en rayos gamma", dice Yang.

"La misma explosión aleja el gas del centro galáctico y forma una onda de choque que se observa como las burbujas de eRosita. La nueva  observación de las burbujas de eRosita nos ha permitido restringir con mayor precisión la duración de la actividad del agujero negro y comprender mejor la historia pasada de nuestra propia galaxia".

El modelo de los investigadores descarta la teoría del estallido estelar nuclear porque la duración típica de un estallido nuclear y, por lo tanto,  el período de tiempo en el que un estallido inyectaría la energía que forma las burbujas es de unos 10 millones de años, según la coautora del estudio Ellen Zweibel, profesora de astronomía y física en la Universidad de Wisconsin.

"Por otro lado, nuestro modelo de agujero negro activo predice con precisión los tamaños relativos de las burbujas de rayos X de eRosita y  las burbujas de rayos gamma de Fermi, siempre que el tiempo de inyección de energía sea aproximadamente el 1% de eso, o una décima parte de un millón de años, dice Zweibel.

"Inyectar energía durante 10 millones de años produciría burbujas con una apariencia completamente diferente. Es la oportunidad de  comparar las burbujas de rayos X y rayos gamma lo que proporciona la pieza crucial que antes faltaba".

Los investigadores utilizaron datos de la misión eRosita, el telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA, el Observatorio Planck y la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson.

Fuente:

https://phys.org/news/2022-03-massive-center-milky-supermassive-black.html