El creixement dels forats negres deixa enrere el de les galàxies

Durant molts anys, els astrònoms han recollit dades sobre la formació d’estrelles a les galàxies i el creixement dels forats negres supermassius (és a dir, aquells amb milions o milers de milions de vegades la massa del Sol) situats en els seus centres. Aquestes dades suggereixen que els forats negres i les estrelles de les seves galàxies amfitriones creixen junts.

Ara, els resultats de dos grups d’investigadors independents indiquen que els forats negres de les galàxies massives han crescut molt més ràpidament que en les menys massives.

“Estem intentant reconstruir una carrera que va començar fa milers de milions d’anys”, va dir Guang Yang de Penn State University que va dirigir un dels dos estudis. “Estem utilitzant dades extraordinàries preses amb diferents telescopis per esbrinar com es va desenvolupar aquesta competició còsmica”.

Utilitzant grans quantitats de dades de l’observatori de raigs X Chandra de la NASA, el Telescopi Espacial Hubble i altres observatoris, Yang i els seus col·laboradors han estudiat la taxa de creixement dels forats negres de les galàxies a distàncies entre 4.300 y 12.200 milions d’anys llum de la Terra. Les dades de raigs X incloïen les publicades a Chandra Deep Field-South & North i a COSMOS-Legacy.

Els científics van calcular la relació entre la taxa de creixement d’un forat negre supermassiu i la taxa de creixement de les estrelles a la seva galàxia amfitriona. Una idea comuna és que aquesta relació és aproximadament constant per a totes les galàxies.

En canvi, Yang i els seus col·laboradors van trobar que aquesta proporció és molt més gran per a les galàxies més massives. Per a les galàxies que contenen aproximadament 100 mil milions de masses solars d’estels, la proporció és aproximadament deu vegades superior a la de les galàxies que contenen aproximadament 10 mil milions de masses solars d’estrelles.

“Una pregunta òbvia és per què?”, diu el co-autor Niel Brandt, també del Penn State University. “Potser les galàxies massives són més efectives a l’hora d’alimentar de gas fred els seus forats negres supermassius centrals que les menys massives”.

Un altre grup de científics va trobar de forma independent que el creixement dels forats negres més massius ha superat el de les estrelles en les seves galàxies amfitriones. Mar Mezcua, de l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE, CSIC) i l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), i els seus col·laboradors van estudiar forats negres en algunes de les galàxies més brillants i massives de l’Univers. Van estudiar 72 galàxies situades al centre de cúmuls de galàxies situats a distàncies al voltant de 3.500 milions d’anys llum de la Terra. L’estudi va utilitzar dades de raigs X procedents de Chandra i dades en les longituds d’ona de ràdio de l’Australia Telescope Compact Array, del Karl G. Jansky Very Large Array i del Very Long Baseline Array d’Estats Units.

Mar Mezcua i els seus col·laboradors van estimar les masses dels forats negres d’aquests cúmuls de galàxies utilitzant una coneguda relació entre la massa d’un forat negre i l’emissió de ràdio i raigs X associada a ell. Van trobar que les masses dels forats negres eren deu vegades més grans que les estimades per un altre mètode que assumia que els forats negres i les seves galàxies creixien en tàndem.

“Hem trobat forats negres que són molt més grans del que esperàvem”, va dir Mar Mezcua. “Potser van començar abans aquesta cursa per créixer o, potser, han tingut un avantatge en la velocitat de creixement que ha durat milers de milions d’anys”.

Els investigadors van trobar que gairebé la meitat dels forats negres de la seva mostra tenien unes masses de com a mínim 10 mil milions de vegades la massa del Sol. Això els situa en una categoria de massa extrema que alguns astrònoms anomenen forats negres “ultramassius”.

“Sabem que els forats negres són objectes extrems”, diu la coautora Julie Hlavacek-Larrondo de la Universitat de Montreal, “per la qual cosa potser no sorprengui que els exemples més extrems trenquin les regles que pensàvem que haurien de seguir”.

El treball de Mar Mezcua i col·laboradors va ser publicat per la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) aquest febrer i està disponible en línia (https://arxiv.org/abs/1710.10268). El document de Yang et al. ha estat acceptat i apareixerà publicat en el número d’abril d’aquest anyde la mateixa revista (també disponible en línia: https://arxiv.org/abs/1710.09399).

El Centre de Vol Espacial Marshall de la NASA a Huntsville, Alabama, gestiona el programa Chandra per a la Direcció de la Missió de Ciència de la NASA a Washington. El Smithsonian Astrophysical Observatory de Cambridge, Massachusetts, controla les operacions de ciència i vol de Chandra.