¿Por qué puede ser más difícil detectar los agujeros negros de peso medio que los otros tipos?

Question

Este fuente dice que, hasta hace poco, no se habían descubierto agujeros negros de peso medio (es decir, con 1000 masas solares). Los astrónomos tenían pruebas de agujeros negros pequeños y supermasivos, pero no del grupo intermedio. Ahora, se ha confirmado la existencia de al menos 10 agujeros negros de peso medio.

Detectar agujeros negros es difícil, especialmente los más pequeños. Por lo tanto, debería haber sido relativamente más fácil encontrar los de peso medio que los más pequeños, sin embargo, parece que no es el caso.

¿Por qué?

Answer 1

Creo que puede haber muchas razones. Los agujeros negros de tamaño estelar son común . Es probable que sean los extremos de estrellas muy masivas ( $>25 M_{\odot}$ ) y parecen estar agrupados en masas de $5-15M_{\odot}$ . Algunos ejemplos más grandes pueden formarse mediante fusiones. Suelen ser fáciles de detectar porque existen en sistemas binarios; acumulan masa y emiten rayos X, y se puede observar su influencia en la compañera binaria e inferir la masa del agujero negro. Un dato interesante es que no sabíamos nada de la posibilidad de $30-60M_{\odot}$ agujeros negros hasta que fueron detectados a través de las ondas gravitacionales, y que de otro modo habrían pasado desapercibidos.

Agujeros negros supermasivos $(>10^6M_{\odot})$ se encuentran en los centros de las galaxias. Se detectan a través de la acreción de gas, que provoca el fenómeno del "núcleo galáctico activo"/cuásar, y la dinámica del gas puede utilizarse para estimar la masa del agujero negro. Los agujeros negros más masivos dan lugar a objetos más extremos con mayor luminosidad de AGN/cuásar y movimientos de gas más rápidos que son más fáciles de detectar.

Por tanto, existen dos claros sesgos de selección: los agujeros negros cercanos, de tamaño estelar, son fácilmente detectables porque son comunes y su presencia puede determinarse cuando están en sistemas binarios (que también son comunes). Los agujeros negros lejanos, situados en el centro de las galaxias, son más fáciles de detectar si son masivos.

Los agujeros negros de masa intermedia caen en la brecha. Es posible que se hayan formado en los primeros tiempos del universo (los mecanismos aún no están claros) y probablemente existan en los centros de galaxias relativamente pequeñas y poco visibles. Es posible que la mayoría haya crecido o se haya fusionado con los agujeros negros más supermasivos, por lo que es posible que no sean comunes en las galaxias cercanas en la época actual del universo. En segundo lugar, como no son muy masivos, su presencia no suele dar lugar a fenómenos muy energéticos. La luminosidad de cualquier actividad de tipo AGN podría ser muy pequeña (como lo es en nuestra propia galaxia, a pesar de que alberga un agujero negro de 4 millones de masas solares), por lo que es posible que no se identifiquen fácilmente. Incluso si se identifican candidatos, es difícil inferir las masas porque cualquier radiación debida a los movimientos del gas será correspondientemente más débil.

Answer 2

En pocas palabras, los agujeros negros de masa intermedia (IMBH, por sus siglas en inglés) no pueden formarse por el colapso de una estrella, que es como se forman los agujeros negros de masa estelar, y no pueden formarse a partir de las condiciones extremas que forman los agujeros negros supermasivos. Los tres métodos propuestos para la formación de los IMBH son:

• La fusión de dos o más agujeros negros de masa estelar.
• Colisión de estrellas fugitivas, que luego colapsan.
• Agujeros negros primordiales del Big Bang.

La última opción de formación es una posibilidad especialmente interesante y es un área de investigación abierta (creo que el grupo de Alan Guth está investigando mucho en torno a ella y su relación con la inflación). Todos estos son eventos que ocurren muy raramente, por lo que no se predice que los IMBHs existan en un número tan alto como otros tipos.

No soy experto en este campo, así que se agradecen las correcciones/comentarios.

Espero que esto ayude.

Answer 3

La respuesta simple es, como sugieres en tu comentario, que los agujeros negros de baja masa son probablemente mucho, mucho más común, lo que por sí mismo hace que sea mucho más fácil encontrar uno que casualmente se esté acrecentando (y por lo tanto sea visible para nosotros). Una estimación muy aproximada sería que hay al menos diez millones (posiblemente hasta mil millones) de agujeros negros de baja masa en nuestra galaxia.

Un factor adicional podría ser que algunos de los agujeros negros de baja masa se formarán como parte de sistemas estelares binarios y, en algunos casos, la estrella secundaria estará lo suficientemente cerca como para que parte de su materia se acumule en el agujero negro cuando éste (la estrella secundaria) evolucione y amplíe su radio, creando así las condiciones para que podamos detectar el agujero negro.

[Hay varios cientos de miles de millones de estrellas en nuestra galaxia. Si sólo 1 de cada mil estrellas se forma con masa suficiente para producir un agujero negro al final de su vida, entonces habría varios cientos de millones de agujeros negros. Utilizando un análisis más sofisticado, este documento predice varias decenas de millones de agujeros negros con masas $> 10$ masas solares en una galaxia del tamaño de la Vía Láctea.