Dimensiones del agujero negro supermasivo reveladas por su modelo de poder

La impresión de un artista de un disco de acreción que gira alrededor de un agujero negro supermasivo invisible. El proceso de acreción produce fluctuaciones aleatorias en el brillo del disco a lo largo del tiempo, un patrón que se ha encontrado relacionado con la masa del agujero negro en un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign. Crédito: Gráficos cortesía de Mark A. Garlick / Simons Foundation

Los patrones de poder de los agujeros negros ofrecen información sobre su tamaño, informan los investigadores. Un nuevo estudio ha revelado que el parpadeo del brillo observado en la alimentación activa de los agujeros negros supermasivos está relacionado con su masa.

Los agujeros negros supermasivos son de millones a miles de millones de veces más masivos que el sol y, por lo general, residen en el centro de galaxias masivas. Cuando están inactivos y no se alimentan del gas y las estrellas que los rodean, los SMBH emiten muy poca luz; la única forma en que los astrónomos pueden detectarlos es a través de sus influencias gravitacionales sobre las estrellas y el gas en su vecindad. Sin embargo, en el universo temprano, cuando las SMBH crecían rápidamente, estaban alimentando activamente, o acumulando, materiales a un ritmo intensivo y emitiendo enormes cantidades de radiación, a veces eclipsando toda la galaxia en la que residen, dijeron los investigadores.

El nuevo estudio, dirigido por el estudiante graduado en astronomía de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, Colin Burke y el profesor Yue Shen, encontró una relación definitiva entre la masa de SMBH que se alimentan activamente y la escala de tiempo característica en el modelo de parpadeo de la luz. Los resultados se publican en la revista Ciencia.

La luz observada por un SMBH en crecimiento no es constante. Debido a procesos físicos que aún no se comprenden, exhibe un parpadeo omnipresente en escalas de tiempo que van desde horas hasta décadas. “Ha habido muchos estudios que han explorado las posibles relaciones entre el parpadeo observado y la masa de SMBH, pero los resultados no han sido concluyentes y, a veces, controvertidos”, dijo Burke.

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El equipo compiló un gran conjunto de datos sobre la potencia activa de SMBH para estudiar el patrón de variabilidad de parpadeo. Identificaron una escala de tiempo característica, más allá de la cual cambia el modelo, que está estrechamente correlacionada con la masa del SMBH. Luego, los investigadores compararon los resultados con la acumulación de enanas blancas, los restos de estrellas como nuestro propio sol, y encontraron que se mantiene la misma relación tiempo-masa, a pesar de que las enanas blancas son millones o miles de millones de veces menos masivas que SMBH.

Los destellos de luz son fluctuaciones aleatorias en un calabozoproceso de alimentación, dijeron los investigadores. Los astrónomos pueden cuantificar este patrón de parpadeo midiendo el poder de la variabilidad en función de las escalas de tiempo. Para las PYME en crecimiento, el patrón de variabilidad cambia de corto a largo. Esta transición del modelo de variabilidad ocurre en una escala de tiempo característica que es más larga para los agujeros negros más masivos.

El equipo comparó la alimentación del agujero negro con nuestra actividad de comer o beber, equiparando esta transición a un eructo humano. Los bebés eructan con frecuencia mientras beben leche, mientras que los adultos pueden contener el eructo durante un período de tiempo más largo. Los agujeros negros hacen lo mismo cuando se alimentan, dijeron.

“Estos resultados sugieren que los procesos que impulsan el parpadeo durante la acreción son universales, ya sea que el objeto central sea un agujero negro supermasivo o uno mucho más ligero. enano blanco“Dijo Shen.

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“Establecer una conexión estable entre el parpadeo de luz observado y las propiedades fundamentales del acretor ciertamente nos ayudará a comprender mejor los procesos de acreción”, dijo Yan-Fei Jiang, investigador del Instituto Flatiron y coautor del estudio.

Los agujeros negros astrofísicos tienen un amplio espectro de masa y tamaño. Entre la población de agujeros negros de masa estelar, que pesan menos de unas pocas decenas de veces la masa del sol, y las SMBH, existe una población de agujeros negros llamados agujeros negros de masa intermedia que pesan entre 100 y 100.000 veces más. la masa del sol. masa del sol.

Se espera que los IMBH se formen en grandes cantidades a lo largo de la historia del universo y podrían proporcionar las semillas necesarias para convertirse en SMBH más adelante. Sin embargo, se puede observar que esta población de IMBH es sorprendentemente esquiva. Solo hay un IMBH indiscutiblemente confirmado que pesa alrededor de 150 veces la masa del sol. Pero ese IMBH fue descubierto accidentalmente por la radiación de ondas gravitacionales de la coalescencia de dos agujeros negros menos masivos.

“Ahora que existe una correlación entre el patrón de parpadeo y la masa del objeto de acreción central, podemos usarlo para predecir cómo se vería la señal de parpadeo de un IMBH”, dijo Burke.

Los astrónomos de todo el mundo están esperando el inicio oficial de una era de estudios masivos que monitorean los cielos dinámicos y variables. El Observatorio Vera C.Rubin del Legacy Survey of Space and Time de Chile estudiará el cielo durante más de una década y recopilará datos sobre el parpadeo de la luz de miles de millones de objetos, a partir de fines de 2023.

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“Extraer el conjunto de datos LSST para buscar patrones de parpadeo consistentes con la acreción de IMBH tiene el potencial de descubrir y comprender completamente esta misteriosa población de agujeros negros”, dijo el coautor Xin Liu, profesor de astronomía en la Universidad de los Estados Unidos. de mí.

Referencia: “Una escala de tiempo de variabilidad óptica característica en discos de acreción astrofísica” 12 de agosto de 2021, Ciencia.
DOI: 10.1126 / science.abg9933

Este estudio es una colaboración con el profesor de astronomía y física Charles Gammie y el investigador postdoctoral en astronomía Qian Yang, el Centro de Illinois para el Estudio Avanzado del Universo, e investigadores de la Universidad de California, Santa Bárbara; la Universidad de St. Andrews, Reino Unido; el Instituto Flatiron; la Universidad de Southampton, Reino Unido; la Academia Naval de los Estados Unidos; y la Universidad de Durham, Reino Unido

Burke, Shen y Liu también están afiliados al Center for Astrophysical Surveys en el National Center for Supercomputing Applications en Illinois.

La National Science Foundation, el Science and Technology Facilities Council y la Illinois Graduate Survey Science Fellowship apoyaron esta investigación.

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