Agujero negro supermasivo supermasivo ‘diferente a todo lo visto antes’

Un extraño puente de 200.000 años luz de diámetro conecta la galaxia con el agujero negro desbocado

El universo es tan voluble que incluso las cosas más pequeñas que pueden pasar desapercibidas pueden tener profundas implicaciones. Esto es lo que le sucedió al astrónomo de Yale Peter van Dokkum cuando estaba investigando[{» attribute=»»>Hubble Space Telescope images and noticed a suspected blemish that looked like a scratch on photographic film. For Hubble’s electronic cameras, cosmic rays skimming along the detector look like “scratches.” But once spectroscopy was done on the oddball streak van Dokkum realized it was really a 200,000-light-year-long chain of young blue stars located over halfway across the universe! van Dokkum and his colleagues believe that it stretches between a runaway monster back hole and the galaxy it was ejected from. The black hole must be compressing gas along its wake, which condenses to form stars. Nothing like it has ever been seen anywhere else in the universe before.

This is an artist’s impression of a runaway supermassive black hole that was ejected from its host galaxy as a result of a tussle between it and two other black holes. As the black hole plows through intergalactic space it compresses tenuous gas in front to it. This precipitates the birth of hot blue stars. This illustration is based on Hubble Space Telescope observations of a 200,000-light-year-long “contrail” of stars behind an escaping black hole. Credit: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

Hubble Space Telescope Sees Possible Runaway Black Hole Creating a Trail of Stars

There’s an invisible monster on the loose, barreling through intergalactic space so fast that if it were in our solar system, it could travel from Earth to the Moon in 14 minutes. This supermassive black hole, weighing as much as 20 million Suns, has left behind a never-before-seen 200,000-light-year-long “contrail” of newborn stars, twice the diameter of our Milky Way galaxy. It’s likely the result of a rare, bizarre game of galactic billiards among three massive black holes.

Rather than gobbling up stars ahead of it, like a cosmic Pac-Man, the speedy black hole is plowing into gas in front of it to trigger new star formation along a narrow corridor. The black hole is streaking too fast to take time for a snack. Nothing like it has ever been seen before, but it was captured accidentally by NASA’s Hubble Space Telescope.

“We think we’re seeing a wake behind the black hole where the gas cools and is able to form stars. So, we’re looking at star formation trailing the black hole,” said Pieter van Dokkum of Yale University in New Haven, Connecticut. “What we’re seeing is the aftermath. Like the wake behind a ship we’re seeing the wake behind the black hole.” The trail must have lots of new stars, given that it is almost half as bright as the host galaxy it is linked to.

El agujero negro está en un extremo del pilar, que se extiende hacia su galaxia madre. Hay un nódulo notablemente brillante de oxígeno ionizado en el extremo exterior del eje. Los investigadores creen que el gas puede estar siendo impactado y calentado por el movimiento del agujero negro que choca con el gas, o puede ser radiación de un disco de acreción alrededor del agujero negro. «El gas que se encuentra frente a él se ve afectado por este impacto supersónico y la alta velocidad del agujero negro que se mueve a través del gas. No se sabe exactamente cómo funciona», dijo Van Dokkum.

«Esto es pura casualidad, simplemente nos topamos con él», agregó Van Dokkum. Estaba buscando cúmulos globulares en una galaxia enana cercana. «Estaba escaneando la imagen del Hubble y luego noté que teníamos una pequeña raya. Inmediatamente pensé: ‘Oh, un rayo cósmico está golpeando el detector de la cámara y causando un artefacto de imagen lineal’. Cuando eliminamos los rayos cósmicos, nos dimos cuenta de que Todavía estaban allí. No se parecía a nada. Lo hemos visto antes.

Esta imagen de archivo del telescopio espacial Hubble captura una extraña característica lineal tan inusual que primero se descartó como un artefacto de imágenes de las cámaras del Hubble. Pero las observaciones espectroscópicas posteriores revelan una cadena de estrellas azules jóvenes de 200.000 años luz de diámetro. Hay un agujero negro supermasivo en la punta del puente en la parte inferior izquierda. El agujero negro ha sido expulsado de la galaxia en la parte superior derecha. El gas se comprimió a su paso, dejando un largo rastro de jóvenes estrellas azules. Nunca antes se había visto algo así en el universo. Este evento inusual ocurrió cuando el universo tenía aproximadamente la mitad de su edad actual. Crédito: Ciencia: NASA, ESA, Peter van Dokkum (Yale), Procesamiento de imágenes: Joseph DiPascual (STScI)

Debido a que era tan extraño, Van Dokkum y su equipo realizaron una espectroscopia de seguimiento con los Observatorios W.M. Keck en Hawái. Él describe el rastro de estrellas como «muy sorprendente, muy brillante, muy inusual». Esto llevó a la conclusión de que estaba observando los efectos de un agujero negro que rebota a través de un halo de gas que rodea la galaxia anfitriona.

Este cohete intergaláctico es probablemente el resultado de múltiples colisiones de agujeros negros supermasivos. Los astrónomos creen que las dos primeras galaxias se fusionaron hace unos 50 millones de años. Esto ha combinado dos agujeros negros supermasivos en su centro. Se orbitaban entre sí como un agujero negro binario.

Luego vino otra galaxia con su propio agujero negro supermasivo. Esto sigue el idioma antiguo: «una compañía de dos y una multitud de tres». La mezcla de los tres agujeros negros resultó en una formación caótica e inestable. Un agujero negro le robó al otro agujero negro su impulso y fue expulsado de la galaxia anfitriona. Quizás el binario original permaneció intacto, o quizás el nuevo agujero negro intermedio reemplazó a uno de los dos que estaban en el binario original, expulsando al compañero anterior.

A medida que el único agujero negro salió disparado en una dirección, los agujeros negros binarios salieron disparados en la dirección opuesta. Una característica vista en el lado más lejano de la galaxia anfitriona podría ser el agujero negro binario desbocado. La evidencia circunstancial de esto es la falta de signos de un agujero negro activo que permanezca en el núcleo galáctico. El siguiente paso es hacer observaciones de seguimiento con la NASA.[{» attribute=»»>James Webb Space Telescope and the Chandra X-ray Observatory to confirm the black hole explanation.

NASA’s upcoming Nancy Grace Roman Space Telescope will have a wide-angle view of the universe with Hubble’s exquisite resolution. As a survey telescope, the Roman observations might find more of these rare and improbable “star streaks” elsewhere in the universe. This may require machine learning using algorithms that are very good at finding specific weird shapes in a sea of other astronomical data, according to van Dokkum. 

The research paper was published on April 6 in The Astrophysical Journal Letters.

Reference: “A Candidate Runaway Supermassive Black Hole Identified by Shocks and Star Formation in its Wake” by Pieter van Dokkum, Imad Pasha, Maria Luisa Buzzo, Stephanie LaMassa, Zili Shen, Michael A. Keim, Roberto Abraham, Charlie Conroy, Shany Danieli, Kaustav Mitra, Daisuke Nagai, Priyamvada Natarajan, Aaron J. Romanowsky, Grant Tremblay, C. Megan Urry and Frank C. van den Bosch, 6 April 2023, The Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/acba86

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between NASA and ESA. NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, manages the telescope. The Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore conducts Hubble science operations. STScI is operated for NASA by the Association of Universities for Research in Astronomy, in Washington, D.C.