Enormes burbujas en el centro de la Vía Láctea provocadas por el agujero negro supermasivo

En 2020, el telescopio de rayos X eRosita tomó fotografías de dos enormes burbujas que se extendían muy por encima y por debajo del centro de nuestra galaxia.

Desde entonces, los astrónomos han debatido su origen. Ahora, un estudio que incluye investigaciones de la Universidad de Michigan sugiere que las burbujas son el resultado de un poderoso chorro de actividad del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea. El estudio, publicado en Astronomía de la naturalezatambién muestra que el chorro comenzó a arrojar material hace unos 2,6 millones de años y duró unos 100.000 años.

Los resultados del equipo sugieren que las burbujas de Fermi, descubiertas en 2010, y la neblina de microondas, una neblina de partículas cargadas aproximadamente en el centro de la galaxia, se formaron a partir del mismo chorro de energía del agujero negro supermasivo. El estudio fue realizado por la Universidad Nacional Tsing Hua en colaboración con la UM y la Universidad de Wisconsin.

«Nuestros hallazgos son importantes en el sentido de que necesitamos comprender cómo interactúan los agujeros negros con las galaxias en las que se encuentran, porque esta interacción permite que estos agujeros negros crezcan de forma controlada en lugar de [growing] incontrolablemente «, dice el astrónomo Mateusz Ruszkowski, coautor del estudio. Si crees en el modelo de Fermi o eRosita de estas burbujas guiado por agujeros negros supermasivospuedes empezar a responder estas profundas preguntas».

Hay dos modelos en competencia que explican estas burbujas, llamadas burbujas de Fermi y eRosita por los telescopios que las nombraron, dice Ruszkowski. El primero sugiere que el flujo de salida es impulsado por un estallido estelar nuclear, en el que una estrella explota en una supernova y expulsa material. El segundo modelo, respaldado por los hallazgos del equipo, sugiere que estos flujos de salida son impulsados ​​por energía expulsada de un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia.

Estos flujos de salida de los agujeros negros ocurren cuando el material viaja hacia el agujero negro, pero nunca cruza el horizonte de eventos del agujero negro o la superficie matemática debajo de la cual nada puede escapar. A medida que parte de este material se devuelve al espacio, agujeros negros no crezcas fuera de control. Pero la energía emitida por el agujero negro mueve el material cerca del agujero negro, creando estas grandes burbujas.

Las estructuras en sí tienen 11 kiloparsecs de altura. Un parsec equivale a 3,26 años luz, que es aproximadamente tres veces la distancia que recorre la luz en el transcurso de un año. Las estructuras, por lo tanto, tienen casi 36.000 años luz de altura.

A modo de comparación, la Vía Láctea tiene 30 kiloparsecs de diámetro y nuestro sistema solar reside aproximadamente a 8 kiloparsecs del centro de la galaxia. Las burbujas de eRosita son aproximadamente el doble de grandes que las burbujas de Fermi y se expanden por la onda de energía, u onda de choque, expulsada de las burbujas de Fermi, según los investigadores.

Los astrónomos están interesados ​​en observar estas burbujas de eRosite en particular porque ocurren en nuestro patio galáctico en relación con objetos en una galaxia diferente o a una distancia cosmológica extrema. Nuestra proximidad a los flujos de salida significa que los astrónomos pueden recopilar una gran cantidad de datos, dice Ruszkowski. Estos datos pueden indicar a los astrónomos la cantidad de energía en el chorro del agujero negro, cuánto tiempo se ha inyectado esta energía y qué material comprende las burbujas.

«No solo podemos descartar el modelo de estallido estelar, sino que también podemos ajustar los parámetros necesarios para producir las mismas imágenes, o algo muy similar a lo que hay en el cielo, dentro de ese modelo de agujero negro supermasivo», dice Ruszkowski. «Podemos limitar mejor algunas cosas, como cuánta energía se ha bombeado, qué hay dentro de estas burbujas y cuánto tiempo se ha inyectado la energía para producir estas burbujas».

¿Qué hay dentro de ellos? Rayos cósmicos, una forma de radiación de alta energía. Las burbujas de eRosita encierran las burbujas de Fermi, cuyo contenido se desconoce. Pero los modelos de los investigadores pueden predecir la cantidad de rayos cósmicos dentro de cada una de las estructuras. La inyección de energía del agujero negro infló las burbujas, y la energía misma estaba en forma de energía cinética, térmica y de rayos cósmicos. De estas formas de energía, la misión Fermi solo pudo detectar la señal de rayos gamma de los rayos cósmicos.

Karen Yang, autora principal del estudio y profesora asistente en la Universidad Nacional Tsing Hua en Taiwán, comenzó a trabajar en una versión anterior del código utilizado en el modelado de este artículo como investigadora postdoctoral en la UM con Ruszkowski. Para llegar a sus conclusiones, los investigadores realizaron simulaciones numéricas de liberación de energía que tienen en cuenta la hidrodinámica, la gravedad y los rayos cósmicos.

“Nuestra simulación es única porque tiene en cuenta la interacción entre los rayos cósmicos y el gas dentro de la Vía Láctea. Rayos cósmicosinyectados con los chorros del agujero negro, se expanden y forman burbujas de Fermi que brillan en rayos gamma”, dice Yang.

«La misma explosión empuja el gas lejos del centro galáctico y forma una onda de choque que se observa como las burbujas de eRosita. La nueva observación de las burbujas de eRosita nos ha permitido limitar con mayor precisión la duración de la actividad del agujero negro y comprender mejor la historia pasada de nuestra galaxia».

El modelo de los investigadores excluye la teoría del estallido nuclear porque la duración típica de un estallido nuclear y, por lo tanto, el tiempo que un estallido inyectaría la energía que forma burbujas es de unos 10 millones de años, según el coautor del artículo. estudio Ellen Zweibel, profesora de astronomía y física en la Universidad de Wisconsin.

«Por otro lado, nuestro modelo de agujero negro activo predice con precisión los tamaños relativos de las burbujas de rayos X de eRosita y las burbujas de rayos gamma de Fermi, siempre que el tiempo de inyección de energía sea aproximadamente el 1% de eso, o una décima de millón de años. , «dice Zweibel.

«Inyectar energía durante 10 millones de años produciría burbujas con una apariencia completamente diferente. Es una oportunidad para comparar las burbujas de rayos X y rayos gamma que proporcionan la pieza crucial que antes faltaba».

Los investigadores utilizaron datos de la misión eRosita, el telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA, el Observatorio Planck y la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson.