ALMA determina masa de agujero negro con extrema precisión

5 mayo, 2016

Los agujeros negros supermasivos, algunos de los cuales tienen millones o incluso miles de millones de veces la masa de nuestro Sol, dominan el centro de las galaxias que los albergan. Para calcular la masa de un agujero negro supermasivo, los astrónomos deben calcular el efecto de su fuerza gravitacional sobre las estrellas y nubes de gas que giran a su alrededor.

Un equipo de astrónomos usó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para escrutar las profundidades de una galaxia elíptica cercana y estudiar el movimiento de un disco de gas interestelar frío que rodea el agujero negro supermasivo alojado en su centro. Estas observaciones han arrojado uno de los cálculos de masa más precisos que se haya obtenido a la fecha de un agujero negro fuera de nuestra galaxia, y de esa forma han contribuido a determinar la escala de estos mastodontes cósmicos.

Para ello, Aaron Barth, astrónomo de la Universidad de California, Irvine (UCI), y autor principal de un artículo publicado en The Astrophysical Journal Letters, usó ALMA junto con su equipo para medir la velocidad del gas de monóxido de carbono (CO) en órbita alrededor del agujero negro que se encuentra en el centro de NGC 1332, una enorme galaxia elíptica situada a cerca de 73 millones de años luz de la Tierra, en dirección de la constelación de Erídano.

“Es todo un desafío medir con precisión la masa de un agujero negro, incluso con los telescopios más potentes que tenemos en la Tierra o en el espacio”, afirma Barth.“ALMA tiene la revolucionaria capacidad de observar discos de gas frío alrededor de agujeros negros supermasivos a escalas lo suficientemente pequeñas como para permitirnos distinguir con claridad su influencia en la velocidad de rotación del disco”.

Las observaciones realizadas con ALMA permitieron revelar detalles del orden de 16 años luz de extensión en la estructura del disco. También midieron el movimiento rotativo del disco al interior de la llamada esfera de influencia del agujero negro: una zona con un radio estimado en 80 años luz donde la gravedad del agujero negro es predominante.

Cerca del centro del disco, ALMA observó el gas desplazándose a más de 500 kilómetros por segundo. Al comparar esos datos con simulaciones, los astrónomos calcularon que el agujero negro central de NGC 1332 tiene una masa 660 millones de veces mayor a la de nuestro Sol, más o menos diez por ciento. Esto es aproximadamente 150 veces la masa del agujero negro existente en el centro de la Vía Láctea, aunque comparativamente modesto en relación a aquellos agujeros negros más grandes que se conocen, que pueden ser de varios miles de millones de masas solares.

Según los investigadores, las detalladas observaciones de ALMA fueron fundamentales para evitar confundir las mediciones del agujero negro con la influencia gravitacional de los demás materiales (como estrellas, nubes de gas interestelar y materia oscura) que componen la mayor parte de la masa total de la galaxia.

“Este agujero negro, por más masivo que sea, representa menos de un 1 % de la masa de todas las estrellas de la galaxia”, señala Barth. “El grueso de la masa de esta galaxia está compuesto por materia oscura y estrellas, y en la proporción de una galaxia entera incluso un agujero negro gigante no es más que un pequeño lunar en su centro. La clave para determinar la influencia del agujero negro está en observar el movimiento orbital a escalas tan pequeñas que sepamos a ciencia cierta que la fuerza gravitacional del agujero negro es la fuerza predominante allí”. Esta es la primera vez que se demuestra esta funcionalidad de ALMA.

Los astrónomos usan varias técnicas diferentes para medir la masa de los agujeros negros. Sin embargo, todas ellas dependen de que se logre determinar el movimiento de objetos situados lo más cerca posible del agujero negro. En el caso de la Vía Láctea, se usan poderosos telescopios terrestres con óptica adaptativa para obtener imágenes de estrellas aisladas cerca del centro galáctico y determinar con precisión sus trayectorias a lo largo del tiempo. Pese a ser muy precisa, esta técnica solo es viable en nuestra propia galaxia, puesto que las demás están demasiado lejos como para poder distinguir los movimientos de las estrellas individualmente.

Para realizar las mismas mediciones en otras galaxias, los astrónomos calculan la masa de los agujeros negros estudiando el movimiento conjunto de numerosas estrellas ubicadas en la región central, o bien siguiendo el movimiento de discos de gas y megamáseres que emiten ondas de radio.

En estudios anteriores sobre NGC 1332 realizados con telescopios terrestres y espaciales se habían determinado masas muy dispares para este agujero negro, desde 500 millones hasta 1.500 millones de veces la masa del Sol.

Los nuevos datos de ALMA confirman que los cálculos más modestos son los más precisos.

Crucialmente, las nuevas observaciones de ALMA alcanzaron una mayor resolución que cualquier estudio anterior. ALMA también detecta la emisión de la parte más densa y fría del gas interestelar, que se mantiene en un notable movimiento constante y circular alrededor del agujero negro.

Muchas de las mediciones realizadas anteriormente con telescopios ópticos, como el telescopio espacial Hubble, se han concentrado en la emisión de gas caliente e ionizado en órbita alrededor de la región central de galaxias. Los discos de gas ionizado tienden a ser mucho más turbulentos que los disco fríos, lo cual dificulta medir con precisión la masa de los agujeros negros.

“ALMA puede determinar la rotación de discos de gas en los centros galácticos con una resolución aún más precisa que el telescopio espacial Hubble”, afirma Benjamin Boizelle, estudiante de posgrado de la UCI, y coautor del estudio. “Esta observación muestra una técnica que puede aplicarse a muchas otras galaxias para calcular la masa de agujeros negros supermasivos con una precisión extraordinaria”.

Información adicional

Los resultados de este estudio se publicaron en The Astrophysical Journal Letters con el título “Measurement of the black hole mass in NGC 1332 from ALMA observations at 0.044 arcsecond resolution” (‘Mediciones de la masa del agujero negro de NGC 1332 a partir de observaciones de ALMA a una resolución de 0,044 arcosegundos’), por Aaron Barth et al.

El equipo está constituido por Aaron Barth (Universidad de California, Irvine), Benjamin D. Boizelle (Universidad de California, Irvine), Jeremy Darling (Universidad de Colorado, Boulder), Andrew J. Baker (Rutgers, Universidad Estatal de Nueva Jersey, Piscataway), David A. Buote (Universidad de California, Irvine), Luis Ho (Instituto Kavli de Astronomía y Astrofísica, Universidad de Pekín, China) y Jonelle L. Walsh (Texas A&M University, College Station).

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.