Burbujas masivas en el centro de la Vía Láctea causadas por un agujero negro supermasivo

 

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 simulaciones de las burbujas eRosita y Fermi preparadas por Karen Yang (autora principal del estudio y profesora asistente en National Tsing Hua University in Taiwan) 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 capturó 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 investigaciones 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 astronomía naturaltambién 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 realizado 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 [growing] fuera de control», dice el astrónomo de la UM Mateusz Ruszkowski, coautor del estudio. «Si crees que el patrón de estas burbujas de Fermi o eRosita está impulsado por agujeros negros supermasivospuedes comenzar a responder esas preguntas profundas».

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

Estas salidas de agujeros negros ocurren cuando la materia se mueve 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 envía de regreso al espacio, agujeros negros no crece fuera de control. Pero la energía emitida por el agujero negro mueve la materia cerca del agujero negro, creando estas grandes burbujas.

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

A modo de comparación, la galaxia de la Vía Láctea tiene 30 kiloparsecs de diámetro y nuestro sistema solar está a unos 8 kiloparsecs del centro de la galaxia. Las burbujas de eRosita son aproximadamente el doble de grandes que las burbujas de Fermi y se expanden por la onda de energía, u onda de choque, expulsada por las burbujas de Fermi, dijeron los investigadores.

Los astrónomos están interesados en observar 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 gran cantidad de datos, dice Ruszkowski. Estos datos pueden decirles a los astrónomos cuánta energía hay en el chorro del agujero negro, cuánto tiempo se inyectó esa energía y qué material comprende las burbujas.

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

¿Qué hay dentro de ellos? Rayos cósmicos, una forma de radiación de alta energía. Las burbujas de eRosita contienen 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 misma estaba en forma de energía cinética, térmica y de rayos cósmicos. Entre estas formas de energía, la misión Fermi solo pudo detectar la señal 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 inicial del código utilizado para modelar 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. rayos cósmicosinyectados con los chorros del agujero negro, se expanden y forman las burbujas de Fermi que brillan en los rayos gamma», dice Yang.

«La misma explosión aleja el gas del centro galáctico y forma una onda de choque que se observa cuando eRosita burbujea. 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 nuestro propia galaxia».

El modelo de los investigadores descarta la teoría del estallido nuclear porque la duración típica de un estallido nuclear y, por lo tanto, la duración durante la cual un estallido estelar inyectaría la energía que forma las burbujas es de unos 10 millones de años, según el coautor de el 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%, o una décima de millón de años». dijo Zweibel.

«Inyectar energía durante 10 millones de años produciría burbujas de aspecto completamente diferente. Es la oportunidad de comparar burbujas de rayos X y rayos gamma lo que proporciona la pieza crucial que faltaba antes».

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.

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