Agujeros negros inesperadamente masivos dominan galaxias más pequeñas en el universo distante

Agujeros negros inesperadamente masivos dominan galaxias más pequeñas en el universo distante

Agujeros negros inesperadamente masivos dominan pequeñas galaxias en el universo distante

Crédito: CfA/Melissa Weiss

Los astrónomos han descubierto que los agujeros negros supermasivos en los centros de las primeras galaxias son mucho más masivos de lo esperado. Estos agujeros negros sorprendentemente masivos ofrecen nuevos conocimientos sobre los orígenes de todos los agujeros negros supermasivos, así como sobre las primeras etapas de la vida de su galaxia anfitriona.

En galaxias maduras cercanas como nuestra Vía Láctea, la masa total de las estrellas excede la masa del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia en aproximadamente 1.000 a 1. Sin embargo, en nuevas galaxias distantes, esa diferencia de masa cae a 100, o 10 a 1, y 1 a 1, lo que significa que el agujero negro es igual a la masa combinada de las estrellas en su galaxia anfitriona.

Esta imagen de agujeros negros inesperadamente masivos en galaxias emergentes proviene del último observatorio insignia de la NASA, el Telescopio Espacial James Webb (JWST). Hasta el lanzamiento del JWST a finales de 2021, los astrónomos generalmente habían limitado su estudio de los agujeros negros distantes a los increíblemente brillantes cuásares, compuestos de gigantescos agujeros negros devoradores de materia que eclipsan por completo a las estrellas de sus galaxias anfitrionas.

«Con JWST, ahora finalmente podemos observar agujeros negros de baja masa en galaxias pequeñas y distantes, y podemos ver estrellas en estas galaxias anfitrionas», dice Fabio Pacucci, miembro de Clay en el Centro de Astrofísica. | Harvard y Smithsonian (CfA). «Esto nos permite, por primera vez, estudiar los agujeros negros primordiales y sus galaxias anfitrionas a medida que evolucionan juntas».

Pacucci es el autor principal de un nuevo estudio publicado en Las cartas del diario astrofísico informó los hallazgos y presentó estos resultados en la 243ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Nueva Orleans, LA.

«Aprendimos que las galaxias jóvenes y distantes violan la relación entre la masa de los agujeros negros y la masa estelar que está bien establecida en las galaxias maduras cercanas: estos antiguos agujeros negros son sin duda sobreabundantes en comparación con la población estelar de sus anfitriones», dice Roberto Maiolino. , profesor de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) y coautor del estudio. «Con JWST, será posible identificar cómo se formaron los primeros agujeros negros supermasivos al encontrar agujeros negros más lejanos y más pequeños que los vistos hasta ahora, y nuestro estudio predice que son bastante abundantes».

Para el estudio, Pacucci y sus colegas realizaron un análisis estadístico de un grupo de 21 galaxias ubicadas entre 12 y 13 mil millones de años luz de distancia y observadas mediante tres estudios JWST publicados.

21 de estas galaxias tienen agujeros negros centrales con masas típicas estimadas en decenas o cientos de millones de veces la de nuestro Sol; todavía masivas, pero eclipsadas en comparación con los agujeros negros que alimentan los quásares más distantes observados hasta ahora. veces la masa del Sol.

«En general, vemos que los agujeros negros en las galaxias jóvenes observadas por JWST son de diez a cien veces más masivos de lo que predice la relación de escala en el universo local», dijo Xiaohui Fan, profesor de la Universidad de Arizona y coautor del estudio. de El estudio. «La relación entre la masa estelar y la masa de los agujeros negros en las galaxias primitivas era muy baja hace doce mil millones de años, en comparación con la actual. Este resultado tiene implicaciones importantes para el estudio de la primera población de agujeros negros».

Estimar con precisión esta proporción puede ayudar a determinar cómo se originaron los precursores de los agujeros negros supermasivos, denominados semillas de agujeros negros. En términos generales, los astrónomos han trazado dos caminos principales: semillas «ligeras» o «pesadas».

La masa de las semillas de los agujeros negros ligeros es relativamente baja, entre 100 y 1.000 veces la masa del Sol. Estas semillas de luz se formaron como restos de las primeras estrellas masivas del universo. En el otro extremo, las semillas de los agujeros negros supermasivos comienzan entre 10.000 y 100.000 masas solares. En teoría, estas semillas pesadas se originan por el colapso gravitacional directo de nubes de gas titánicas.

La vía de la semilla masiva, al preparar el escenario para el crecimiento desde una etapa muy temprana, facilita la formación oportuna de los primeros agujeros negros supermasivos descubiertos a distancias progresivamente mayores durante los últimos veinte años. Los nuevos hallazgos sobre agujeros negros supermasivos dan credibilidad a la hipótesis de la semilla pesada, ya que las simulaciones y los cálculos teóricos de esta línea predicen que los agujeros negros deberían ser aproximadamente tan masivos o más masivos que la masa estelar de las galaxias jóvenes en las que residen.

Cómo las galaxias tomaron forma y coevolucionaron alrededor de semillas de agujeros negros primordiales sigue siendo una cuestión astrofísica abierta. ¿Los agujeros negros crecen principalmente atrayendo gas o fusionándose con otros agujeros negros? ¿Y la masa estelar se acumula principalmente dentro de la galaxia o requiere fusiones con otras galaxias grandes? Pacucci y este equipo esperan que las respuestas entren en juego con estudios JWST adicionales.

«Sabemos que a lo largo del tiempo cósmico, la proporción entre la masa estelar y la del agujero negro alcanza gradualmente la proporción local de 1.000 a 1 del universo moderno. A medida que el agujero negro y su sistema galáctico anfitrión evolucionan juntos, fusionándose con otras galaxias y formando legiones de estrellas», dice Pacucci. «En lo que todavía estamos trabajando es en mirar lo suficientemente profundo del universo para reconstruir cómo empezó todo».

Junto con Xiaohui Fan y Roberto Maiolino, los coautores del artículo son Bao Nguyen de la Universidad de Arizona y Stefano Carniani de la Scuola Normale Superiore de Pisa, Italia. Ensamblaje de galaxias con encuestas JWST Encuesta extragaláctica profunda avanzada JWST (JADES), Encuesta científica de lanzamiento temprano de evolución cósmica (CEERS) y Encuesta NIRSpec IFS (GA-NIFS).

Más información:
Fabio Pacucci et al, JWST CEERS y JADES galaxias activas en z = 4–7 violan la relación local M •–M ⋆ en >3σ: Implicaciones para agujeros negros de baja masa y modelos de siembra, Las cartas del diario astrofísico (2023) DOI: 10.3847/2041-8213/ad0158

Proporcionado por el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica

referencia: Los agujeros negros inesperadamente masivos dominan las galaxias más pequeñas en el universo distante (9 de enero de 2024) Consultado el 10 de enero de 2024 en https://phys.org/news/2024-01-unexpectedly-massive-black-holes-dominate.html

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