Vista desde la Tierra, la galaxia elíptica gigante M87 es solo una mancha bidimensional, aunque parece perfectamente simétrica y, por lo tanto, un objetivo favorito de los astrónomos aficionados.

Sin embargo, un análisis nuevo y muy detallado del movimiento de las estrellas alrededor de su agujero negro supermasivo central, el primer agujero negro fotografiado por el Event Horizon Telescope (EHT) en 2019, revela que no es tan perfecto como parece.

De hecho, M87 es muy asimétrico, como una patata rojiza. El eje más corto de la galaxia mide aproximadamente tres cuartos (72,2%) de la longitud de su eje largo, mientras que el eje intermedio mide aproximadamente siete octavos (84,5%) de la longitud del eje largo.

Sabiendo esto, los astrónomos de la Universidad de California, Berkeley, pudieron determinar la masa del agujero negro supermasivo en el núcleo de la galaxia con alta precisión, estimándola en 5.37 mil millones de veces la masa del sol. En comparación, nuestra propia Vía Láctea tiene en su centro un agujero negro masivo de solo 4 millones de veces la masa del sol.

También pudieron medir la rotación de la galaxia, que es relativamente tranquila de 25 kilómetros por segundo. Curiosamente, no gira alrededor de ninguno de los ejes principales de la galaxia, sino alrededor de un eje que está a 40 grados del eje largo de su imagen 2D, tal como lo observa el telescopio espacial Hubble.

La reconstrucción estéreo de la galaxia M87 y la cifra más precisa de la masa del agujero negro central podría ayudar a los astrofísicos a conocer una característica del agujero negro que no habían podido determinar antes para ningún agujero negro : su giro.

« Ahora que conocemos la dirección de la rotación neta de las estrellas en M87 y tenemos una masa actualizada del agujero negro, podemos combinar esta información con los sorprendentes datos del equipo EHT para restringir el giro », dijo Chung-Pei Ma, un profesor de astronomía y física de UC Berkeley que dirigió la investigación. « Esto puede apuntar hacia una cierta dirección y rango de giro del agujero negro, lo que sería notable. Estamos trabajando en esto ».

Más análisis para determinar la verdadera forma de las galaxias elípticas gigantes, las galaxias con los agujeros negros más grandes en sus núcleos, ayudarán a los astrónomos a comprender mejor cómo se forman las galaxias grandes y los agujeros negros grandes y podrían ayudar a los astrónomos a interpretar mejor las señales de ondas gravitacionales. Ma dirige un estudio a largo plazo de agujeros negros supermasivos que se denomina MASIVO.

Los resultados se publicaron en línea el 15 de marzo en The Astrophysical Journal Letters (ApJ Letters).

Determinar la forma 3D de una galaxia

Mientras que las galaxias espirales tienden a ser pequeñas, giran rápidamente y tienen una forma de panqueque bien reconocida, las galaxias elípticas gigantes giran lentamente y tienen una apariencia borrosa, su forma 3D es difícil de discernir. Al igual que M87, la galaxia más grande del masivo cúmulo de galaxias de Virgo, las galaxias elípticas gigantes han crecido a partir de la fusión de muchas otras galaxias. Esa es probablemente la razón por la que el agujero negro central de M87 es tan grande : asimiló los agujeros negros centrales de todas las galaxias que tragó. En total, la galaxia contiene alrededor de 100 mil millones de estrellas, 10 veces más grandes que la Vía Láctea.

Ma, la estudiante de posgrado de UC Berkeley y autora principal Emily Liepold, y Jonelle Walsh de la Universidad de Texas A&M en College Station pudieron determinar la forma 3D de M87 gracias a un instrumento de precisión relativamente nuevo montado en el telescopio Keck II, uno de los 10 gemelos Telescopios Keck de dos metros en la cima de Mauna Kea, un volcán en Hawái. Llamado Keck Cosmic Web Imager (KCWI), el espectrómetro de campo integral permitió a Ma y su equipo medir el espectro de estrellas en el centro de la galaxia.

Apuntaron el telescopio a 62 ubicaciones adyacentes en la galaxia, cubriendo completamente una región de unos 70.000 años luz de diámetro, y registraron los espectros de las estrellas dentro de esa región. Las observaciones abarcan la región central, de unos 3.000 años luz de diámetro, donde la gravedad está dominada en gran medida por el agujero negro supermasivo, así como la parte exterior dominada por la materia oscura. Aunque el telescopio no puede identificar estrellas individuales (M87 se encuentra a unos 53 millones de años luz de la Tierra), los espectros pueden revelar el rango de velocidades dentro de cada píxel de cada imagen, información suficiente para calcular la masa gravitacional que orbitan.

« Es como mirar un enjambre de 100 mil millones de abejas que están dando vueltas en sus propias órbitas felices », dijo Ma, profesora de Ciencias Físicas de Judy Chandler Webb. « Aunque los estamos mirando desde la distancia y no podemos discernir abejas individuales, estamos obteniendo información muy detallada sobre sus velocidades colectivas. Es realmente la excelente sensibilidad de este espectrógrafo lo que nos permitió mapear M87 de manera tan completa ».

Esta es la primera vez que se utiliza KCWI para reconstruir la geometría de una galaxia distante, y M87 es una de las pocas galaxias elípticas gigantes cuya estructura 3D ha sido determinada. El equipo de Ma había determinado previamente la estructura 3D de otras dos galaxias elípticas gigantes, NGC 1453 y NGC 2693, ambas con agujeros negros más pequeños que M87.

Los investigadores tomaron los datos obtenidos durante cuatro noches de observaciones de Keck entre 2020 y 2022, junto con datos fotométricos anteriores de M87 del Telescopio Espacial Hubble de la NASA, y los compararon con predicciones de modelos informáticos de cómo las estrellas se mueven alrededor del centro de una galaxia triaxial. El mejor ajuste a los datos (relaciones axiales de 1 a 0,84 a 0,72) les permitió calcular la masa del agujero negro.

« Los datos de Keck son tan buenos que podemos medir la forma intrínseca de M87 junto con el agujero negro al mismo tiempo », dijo Ma. « Hicimos la primera medición de la forma 3D real de la galaxia. Y dado que permitimos que el enjambre de abejas tuviera una forma más general que solo una esfera o un disco, tenemos una medición dinámica más robusta de la masa del negro central. agujero que gobierna las velocidades orbitales de las abejas ».

Los autores dedicaron su manuscrito al difunto astrónomo Wallace « Wal » Sargent, quien sugirió por primera vez que un agujero negro supermasivo acechaba en el centro de M87 y calculó su masa en unos 5.000 millones de masas solares.

« Su número es un jugueteo con nuestras barras de error, lo cual es muy interesante de ver después de décadas de trabajo », dijo Ma, quien le da crédito a Sargent por haber sido un mentor cuando era becaria postdoctoral en el Instituto de Tecnología de California.

La estimación previa de la masa del agujero negro supermasivo en M87, publicada en 2011, se basó en un análisis similar del movimiento dinámico de las estrellas alrededor del agujero negro, aunque ese estudio asumió que la galaxia era axisimétrica. El número, 6.140 millones de masas solares, está dentro de las barras de error de la nueva estimación más precisa. Al obtener imágenes del agujero negro hace cuatro años, los científicos del EHT estimaron que la masa del agujero negro era de 6.500 millones de masas solares, un 21% más que el nuevo número.

Curiosamente, la materia oscura dentro del volumen de la galaxia que analizaron es mucho mayor que la del agujero negro : alrededor de 388 mil millones de masas solares, o el 67% de la masa total de M87. Aunque la identidad de la materia oscura sigue siendo un misterio, constituye aproximadamente el 85 % de la masa del universo.

Jonelle Walsh trabaja en el Instituto George P. y Cynthia Woods Mitchell de Física Fundamental y Astronomía en Texas A&M. El trabajo fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (AST-1817100, AST-2206307), la Fundación Heising-Simons y el Instituto Miller para la Investigación Básica en Ciencias.