Agujero negro remolcador: cómo los objetos supermasivos arrastran cúmulos estelares ✛

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En el centro de la galaxia NGC 1600, a 200 millones de años luz de nosotros, los astrónomos notaron un denso cúmulo de estrellas. Parecía un nudo brillante sobre el resplandor difuso, y fue inesperado. Se pensaba que en tales galaxias elípticas gigantes los cúmulos estelares nucleares no sobreviven: las fusiones de agujeros negros supermasivos deberían expulsar las estrellas del centro, dejando solo vacío. Pero las observaciones del telescopio Hubble muestran que hasta un tercio de las galaxias elípticas masivas esconden en su núcleo una concentración estelar densa. ¿Cómo llegó allí?

La respuesta está en el momento en que dos galaxias se fusionan y sus agujeros negros, orbitando uno alrededor del otro, emiten ondas gravitacionales. Estas ondas se llevan energía e impulso, y el agujero negro combinado recibe un retroceso, como un cañón tras el disparo. Si el retroceso es moderado, el agujero negro no abandona la galaxia, sino que comienza a oscilar alrededor del centro, como un péndulo. Y aquí entra en juego el efecto que los autores llamaron 'remolque por agujero negro': el agujero negro, moviéndose a través del mar de estrellas, arrastra consigo parte de ellas, como un remolcador tira de barcazas. Las estrellas que quedan gravitacionalmente unidas al agujero negro lo siguen en sus viajes. Cuando el agujero negro regresa al centro, esas estrellas permanecen allí, formando un núcleo denso: el cúmulo estelar nuclear.

Para probar la idea, los científicos realizaron una serie de simulaciones por computadora que reproducen fusiones de galaxias. Tomaron seis galaxias elípticas gigantes reales (NGC 1600, A2147-BCG, NGC 6166, 4C+74.13, A2261-BCG e IC 1101) y las modelaron como producto de la colisión de dos predecesores idénticos. Cada simulación seguía el destino de millones de estrellas y materia oscura, así como del agujero negro, al que tras la fusión se le daba un retroceso con velocidad de 0.1, 0.3 o 0.5 veces la velocidad de escape de la galaxia. Los resultados mostraron que a bajas velocidades de retroceso el agujero negro apenas se mueve y el perfil de densidad estelar permanece igual. A altas velocidades, expulsa estrellas del centro, formando un núcleo aplanado. Pero a velocidades intermedias, precisamente 500–1000 km/s, surge una competencia entre dos efectos: parte de las estrellas se liga al agujero negro y se mueve con él, y otra parte es expulsada cuando regresa. En el centro queda una concentración densa rodeada de un núcleo aplanado.

Las masas de tales concentraciones en las simulaciones oscilaron entre 0.5 y 38.4 × $10^8$ masas solares, los radios entre 30 y 470 pársecs, y las dispersiones de velocidades de las estrellas en su interior entre 405 y 637 km/s. Estos valores caen dentro del rango de los cúmulos estelares nucleares observados, aunque en su parte superior. Las concentraciones son casi esféricas: su elipticidad es de solo 0.06–0.24. Y son estables: su tiempo de relajación supera los 10 mil millones de años, es decir, sobrevivirán a muchas generaciones de estrellas. Esto resuelve una vieja contradicción entre la teoría, que predecía la destrucción de los CEN en galaxias gigantes, y las observaciones, que los encontraban. Resulta que el mismo proceso, el retroceso por ondas gravitacionales, puede, según la velocidad, destruir o crear una concentración estelar central.

El futuro de este mecanismo está ligado a nuevos telescopios. Instrumentos de clase 30 metros y el telescopio espacial James Webb podrán distinguir tales cúmulos en galaxias lejanas y comprobar si realmente nacen así. Si en galaxias con signos de fusiones pasadas se detectan concentraciones estelares esféricas y químicamente homogéneas, será una confirmación directa del modelo. Por ahora, el agujero negro remolcador sigue siendo una explicación elegante de cómo los objetos más oscuros del universo pueden reunir a su alrededor caravanas de estrellas.