Los astrofísicos estadounidenses y australianos han descubierto un candidato para los agujeros negros de masa media. Recibieron este nombre porque son más pesados que los ordinarios, es decir, los que se forman como resultado del colapso gravitacional de estrellas, objetos, pero más livianos que los agujeros negros supermasivos, generalmente ubicados en los núcleos activos de las grandes galaxias. El origen de los objetos inusuales aún no está claro. "Lenta.ru" habla sobre los agujeros negros de masas intermedias y el descubrimiento de científicos.
La mayoría de los agujeros negros conocidos por los científicos, es decir, objetos que no importa puede salir (ignorando los efectos cuánticos), son agujeros negros de masa estelar o agujeros negros supermasivos. El origen de estos objetos gravitacionales está bastante claro para los astrónomos. Los primeros, como su nombre lo indica, representan la etapa final en la evolución de luminarias pesadas, cuando las reacciones termonucleares cesan en sus profundidades. Son tan pesados que no se convierten en enanas blancas o estrellas de neutrones.
Las pequeñas estrellas como el Sol se convierten en enanas blancas. Su fuerza de compresión gravitacional está equilibrada por la repulsión electromagnética del plasma nuclear de electrones. En las estrellas más pesadas, la gravedad está limitada por la presión de la materia nuclear, lo que da como resultado estrellas de neutrones. El núcleo de tales objetos está formado por un líquido de neutrones, que está cubierto con una fina capa de plasma de electrones y núcleos pesados. Finalmente, las luminarias más pesadas se convierten en agujeros negros, lo que está perfectamente descrito por la relatividad general y la física estadística.
Cúmulo de estrellas globular 47 Tucán
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Foto: NASA / ESA / Hubble Heritage
El valor límite de la masa de la enana blanca, que evita que se convierta en una estrella de neutrones, fue estimado en 1932 por el astrofísico indio Subramanian Chandrasekhar. Este parámetro se calcula a partir de la condición de equilibrio del gas de electrones degenerados y las fuerzas gravitacionales. El valor actual del límite de Chandrasekhar se estima en alrededor de 1,4 masas solares. El límite superior de la masa de una estrella de neutrones, en el que no se convierte en un agujero negro, se llama límite de Oppenheimer-Volkov. Se determina a partir de la condición de equilibrio de la presión del gas neutrónico degenerado y las fuerzas de la gravedad. En 1939, los científicos recibieron su valor en 0,7 masas solares; las estimaciones modernas oscilan entre 1,5 y 3,0.
Las estrellas más masivas son 200-300 veces más pesadas que el Sol. Como regla general, la masa de un agujero negro que se origina en una estrella no excede este orden de magnitud. En el otro extremo de la escala se encuentran los agujeros negros supermasivos: son cientos de miles o incluso decenas de miles de millones de veces más pesados que el Sol. Por lo general, estos monstruos se encuentran en los centros activos de grandes galaxias y tienen una influencia decisiva sobre ellos. A pesar de que el origen de los agujeros negros supermasivos también plantea muchas preguntas, hasta la fecha, se han descubierto suficientes objetos de este tipo (más estrictamente, candidatos para ellos) para no dudar de su existencia.
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Por ejemplo, en el centro de la Vía Láctea, a una distancia de 7,86 kiloparsecs de la Tierra, se encuentra el objeto más pesado de la Galaxia: el agujero negro supermasivo Sagitario A *, que es más de cuatro millones de veces más pesado que el Sol. En el gran sistema estelar cercano, la Nebulosa de Andrómeda, hay un objeto aún más pesado: un agujero negro supermasivo, que probablemente es 140 millones de veces más pesado que el Sol. Los astrónomos estiman que en unos cuatro mil millones de años, un agujero negro supermasivo de la nebulosa de Andrómeda se tragará a uno de la Vía Láctea.
Agujero negro de masa media (artista imaginado)
Imagen: CfA / M. Weiss
Este mecanismo apunta a la forma más probable en que se forman los agujeros negros gigantes: simplemente absorben toda la materia a su alrededor. Sin embargo, la pregunta sigue siendo: ¿existen en la naturaleza agujeros negros de masas intermedias, entre estelares y superpesados? Las observaciones de los últimos años, incluidas las publicadas en el número reciente de la revista Nature, así lo confirman. En la publicación, los autores informaron del descubrimiento en el centro del cúmulo de estrellas globulares 47 Toucan (NGC 104) de un posible candidato para agujeros negros de masa media. Las estimaciones muestran que es unas 2,2 mil veces más pesado que el Sol.
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Cluster 47 Toucan se encuentra a 13 mil años luz de la Tierra en la constelación de Toucan. Este conjunto de luminarias ligadas gravitacionalmente se distingue por su gran antigüedad (12 mil millones de años) y un brillo extremadamente alto entre tales objetos (solo superado por el omega Centauri). NGC 104 contiene miles de estrellas, confinadas a una esfera condicional de 120 años luz de diámetro (tres órdenes de magnitud más pequeña que el diámetro del disco de la Vía Láctea). También en 47 Toucan, hay unos veinte púlsares: se convirtieron en el principal objeto de investigación de los científicos.
Las búsquedas anteriores en el centro de NGC 104 para un agujero negro no tuvieron éxito. Dichos objetos se revelan de manera indirecta, por los rayos X característicos que emanan del disco de acreción que los rodea, formado por el gas calentado. Mientras tanto, el centro de NGC 104 casi no contiene gas. Por otro lado, un agujero negro puede detectarse por su efecto sobre las estrellas que giran en su vecindad; algo como esto es posible para estudiar Sagitario A *. Sin embargo, incluso aquí, los científicos se enfrentaron a un problema: el centro de NGC 104 contiene demasiadas estrellas para poder comprender sus movimientos individuales.
Radiotelescopio de parques
Foto: David McClenaghan / CSIRO
Los científicos han tratado de sortear ambas dificultades, sin abandonar al mismo tiempo los métodos habituales de detección de agujeros negros. Primero, los astrónomos analizaron la dinámica de las estrellas de todo el cúmulo globular como un todo, y no solo las estrellas que están cerca de su centro. Para ello, los autores tomaron datos sobre la dinámica de las luminarias de 47 Toucan, recopilados durante las observaciones del radioobservatorio australiano Parkes. Los científicos utilizaron la información obtenida para el modelado informático en el marco del problema gravitacional de N cuerpos. Mostró que hay algo en el centro de NGC 104 que se parece a un agujero negro de masa media en características. Sin embargo, esto no fue suficiente.
Los investigadores decidieron probar sus hallazgos en púlsares, remanentes compactos de estrellas muertas, cuyas señales de radio los astrónomos han aprendido a rastrear bastante bien. Si NGC 104 contiene un agujero negro de masa media, los púlsares no se pueden ubicar demasiado cerca del centro de 47 Toucan, y viceversa. Como esperaban los autores, se confirmó el primer escenario: la ubicación de los púlsares en NGC 104 se correlaciona bien con el hecho de que hay un agujero negro de masa media en el centro del cúmulo.
Los autores creen que los objetos gravitacionales de este tipo pueden ubicarse en los centros de otros cúmulos globulares, probablemente, donde ya están o aún no se buscan. Esto requerirá una consideración cuidadosa de cada uno de estos grupos. ¿Qué papel juegan los agujeros negros de masa intermedia y cómo surgieron? Aún no se sabe con certeza. A pesar de las muchas opciones para su posterior evolución, el coautor del estudio, Bulent Kiziltan, cree que "pueden ser las semillas originales que se convirtieron en los monstruos que vemos hoy en los centros de las galaxias".
Yuri Sukhov
