Posible detección de los esquivos agujeros negros de masa intermedia

Un equipo científico del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) ha observado un tipo de emisión inusual en una muestra de galaxias locales que podría indicar la presencia de discos de acreción alrededor de agujeros negros de masa intermedia (IMBH). El descubrimiento multiplica por cinco el número de IMBH conocidos y abre la puerta a un nuevo procedimiento para detectar y estudiar estos misteriosos objetos astronómicos. Aunque solo se conocen unos pocos a través de evidencias indirectas, los IMBH resultan clave para entender cómo se formaron sus hermanos supermasivos y las galaxias que los albergan.

Los IMBH son un tipo de agujero negro con una masa comprendida entre cien y un millón de masas solares. Es decir, son más masivos que los agujeros negros estelares, pero menos que los supermasivos. Los investigadores llevan décadas detrás de su pista y, a pesar de que solo se han identificado unos pocos, son fundamentales para entender un gran número de cuestiones astrofísicas de gran relevancia.

Estos objetos proporcionan las semillas para el crecimiento de los agujeros negros supermasivos, imponentes colosos de millones de masas solares que habitan la mayor parte de los núcleos galácticos. De la misma manera, estudiar sus propiedades y su interacción con el medio que los rodea es relevante para entender cómo se formaron las primeras galaxias. Además, son los productos finales de las fusiones de agujeros negros detectadas a través de ondas gravitacionales.

Aunque la comunidad científica cree que los IMBH son muy abundantes en el Universo, son extremadamente esquivos desde el punto de vista observacional. Ahora, una estudio realizado por el grupo de investigación ESTALLIDOS del IAC parece haberlos encontrado en grandes cantidades. A la vez, el equipo ha descubierto una nueva manera de detectarlos. El inesperado hallazgo sorprendió a los investigadores mientras realizaban observaciones para localizar el gas cosmológico que cae sobre las galaxias y que permite seguir formando estrellas.

Esquema de cómo crece la masa de los agujeros negros desde el origen del universo (Big Bang) hasta nuestros bias (Now). Conforme se fusionan entre ello, los agujeros negros crecen en masa hasta llegar a ser agujeros negros supermasivos. Este proceso es muy ineficiente, así que todavía sobreviven en nuestro entorno algunos de los agujeros negros de masa intermedia que ya existían en el Big Bang. Crédito: Jorge Sánchez Almeida (IAC)

“Buscando otra cosa, descubrimos una débil emisión producida por nubes de hidrógeno alrededor de un número de galaxias locales (118 emisiones en 56 galaxias). En vez de tener un solo pico, la línea de emisión era doble; algo muy inusual», explica Jorge Sánchez Almeida, astrofísico del IAC, co-Investigador Principal (IP) del grupo ESTALLIDOS y primer autor del artículo. «Después de analizar todas las posibles explicaciones (burbujas, jets, choques, supernovas, vientos galácticos, intrusos, etc.), concluimos que solo discos de acreción alrededor de IMBH explicarían lo que observábamos”, añade.

El hallazgo supone un gran paso adelante en la investigación de este tipo de objetos que son clave para entender la estructura y la evolución del Universo. “De confirmarse este resultado, habríamos multiplicado por cinco el número de IMBH conocidos y habríamos dado con la forma de detectar y estudiar los esquivos IMBH”, afirma Casiana Muñoz-Tuñón, astrofísica, subdirectora del IAC y co-IP del grupo ESTALLIDOS.

“Nos hemos dejado el alma y la vista en la búsqueda a ojo de señales débiles en imágenes ruidosas”, señala Joao Fose Feio Calhau, investigador postdoctoral del IAC y coautor del artículo. “Estimamos que hemos dedicado el equivalente a 20 jornadas, de 8 horas de trabajo sin parar, para poder inspeccionar una muestra de 164 galaxias”, destaca.

Las imágenes en blanco y negro muestran la débil emisión de uno de estos agujeros negros de masa intermedia. Los círculos amarillos señalan el objeto, que solo aparece en la emisión de hidrógeno (Ha image), y no en los otros colores (r-band y g-band). El circulo verde señala la galaxia a la que está asociada la emisión. En la parte superior se muestra la línea de emisión detectada, con doble pico, y el esquema de un disco de acreción alrededor de un agujero negro capaz de explicar la observación. Crédito: Jorge Sánchez Almeida (IAC)

Los datos del estudio se han obtenido con el espectrógrafo bidimensional MUSE que opera en el Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral (ESO) en Chile. “MUSE es único –apunta Ana Luisa González Morán, investigadora postdoctoral del IAC y coautora del artículo–; no existe nada semejante en ningún otro telescopio. Las señales detectadas no podrían haber sido descubiertas con otro instrumento”.

En próximas investigaciones el equipo científico espera poder confirmar que las señales provienen inequívocamente de este tipo de objetos. “El campo que hemos observado es un campo cosmológico con mucha información de archivo. Hemos buscado contrapartidas de nuestros objetos en estos catálogos, con un éxito parcial, por lo que estamos pendientes de nuevos datos más profundos de esta región obtenidos con MUSE y con el telescopio espacial James Webb”, concluye José Miguel Rodríguez Espinosa, investigador del IAC y del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA, CSIC) que también ha participado en el estudio.

Referencia

Sanchez Almeida, J.; Calhau, J.; Munoz-Tunon, C.; Gonzalez-Moran, A. L.; Rodriguez-Espinosa, J. M.: “Discovery of faint double-peak Halpha emission in the halo of low redshift galaxies”, Astrophysical Journal, June 2022. DOI: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac7319
ArXiv: arXiv:2205.12782