Astronomía

¿Por qué los astrónomos creían que la mayoría o todos los agujeros negros estelares tenían masas no mayores de 15 masas solares?

¿Por qué los astrónomos creían que la mayoría o todos los agujeros negros estelares tenían masas no mayores de 15 masas solares?



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Los llamados 'huecos de masa' para los agujeros negros, según los modelos teóricos, están entre 2-5 masas solares y 50 a 150 masas solares. (En realidad, he leído que no hay una buena razón teórica para la brecha de masa solar más baja, de 2 a 5 ...)

Pero también he leído que los astrofísicos se sorprendieron al encontrar agujeros negros de más de 15 masas solares utilizando el Observatorio de ondas gravitacionales LIGO ...

Por ejemplo, de New Scientist:

Luego están los agujeros negros estelares. Estos se crean en las gigantescas explosiones que terminan los ciclos de vida de las estrellas masivas, y la más cercana a la Tierra está a unos 1.000 años luz de distancia. Tienden a pesar entre cinco y 15 masas solares, y eran los agujeros negros que la mayoría de los astrónomos habían asumido que LIGO captaría. Pero el descubrimiento de 2015 solo tenía sentido si uno de los agujeros negros en colisión tenía aproximadamente 35 veces la masa del sol, mientras que el otro tenía alrededor de 30 veces esta masa.

Las detecciones posteriores arrojaron más masas de agujeros negros aparentemente inexplicables. La señal GW190814 involucró un agujero negro que era demasiado pesado, en alrededor de 23 masas solares, y uno que era demasiado ligero, en alrededor de 2,6 masas solares. Luego estaba GW190521, de una colisión entre agujeros negros de 85 y 66 masas solares. “Estas observaciones son muy difíciles de explicar con escenarios astrofísicos y se explican con bastante facilidad con agujeros negros primordiales”, dice Sébastien Clesse, cosmólogo de la Universidad de Bruselas en Bélgica.

Leer más: https://www.newscientist.com/article/mg24933280-100-is-there-an-ancient-black-hole-at-the-edge-of-the-solar-system/#ixzz6sOzdIpJW

Pero, ¿POR QUÉ son 'muy difíciles de explicar' en términos de astrofísica convencional?

Leí en otra parte que, antes de LIGO, no se habían detectado agujeros negros estelares por encima de aproximadamente 15,65 masas solares, pero esa referencia no decía que no se esperaba ninguno por encima de esa masa ...


Los llamados 'huecos de masa' para los agujeros negros, según los modelos teóricos, están entre 2-5 masas solares y 50 a 150 masas solares. (En realidad, he leído que no hay una buena razón teórica para la brecha de masa solar más baja, de 2 a 5 ...)

La brecha de masa más baja se sospecha observacionalmente porque aún tenemos que observar una estrella de neutrones con una masa superior a aproximadamente 2 M$ _ { odot} $ (las barras de error en tales mediciones varían mucho según el método de observación, y su controvertido actualmente en cuanto a qué estrella de neutrones es la más masiva conocida actualmente), y porque tampoco hemos descubierto un agujero negro en un sistema binario de rayos X cuya masa es inferior a unos 6 M$ _ { odot} $. Sin embargo, una fusión binaria de estrellas de neutrones puede producir un agujero negro que podría estar en esta brecha de masa más baja. Por lo tanto, en realidad, la brecha probablemente estará poblada por estrellas de neutrones de gran masa (si giran muy rápido y tienen inclinación, etc.) y por agujeros negros de baja masa que resultan de fusiones de estrellas de neutrones binarias.

La nomenclatura actual para las masas de agujeros negros observados refleja la incertidumbre inherente al campo. Ahora mismo, aunque los límites son arbitrarios: masa estelar significa $ lesssim 100 $ METRO$ _ odot $, medios de masa intermedia $ sim 1000-10 ^ 5 $ METRO$ _ odot $, medios supermasivos $ gtrsim 10 ^ 6 $ METRO$ _ odot $. No existe un límite superior en la masa del agujero negro de la relatividad general, pero las consideraciones astrofísicas y cosmológicas, aunque dependen del modelo, pueden producir un límite superior de aproximadamente $10^{11}$, pero podría ser más grande. Estos han sido llamados "tremendamente grandes" y "ultramasivos".

En teoría, los límites de esta brecha de masa inferior están motivados desde abajo por la evolución estelar, p. Ej. Se espera que las estrellas de neutrones solo se formen hasta una cierta masa (dependiendo de la metalicidad) y procesos astrofísicos como la acreción. Muy importante, los límites dependen de la ecuación de estado del material nuclear, que es incierta y uno de los "santos griales" que buscan los astrónomos de ondas gravitacionales (GW).

Por eso, la gente suele escribir una variedad de $2 - 5$ por simplicidad al escribir en artículos de ciencia pop. Generalmente se piensa que la brecha de masa superior atribuida a la supernova de inestabilidad de pares está alrededor $50 - 150$ METRO$ _ { odot} $ (esta es la masa del agujero negro), pero estos límites son inciertos porque dependen de las incertidumbres de los modelos de evolución estelar y la física de las supernovas. Al igual que con la brecha de masa inferior, esta brecha podría, en la práctica, estar poblada por agujeros negros que se forman a partir de fusiones jerárquicas en densos cúmulos estelares (canal dinámico), o de la evolución aislada de estrellas binarias que, en principio, pueden producir altas estrellas estelares. binarios de masa como GW190521 que sobreviven a una supernova fallida, aunque es incierto porque esto depende de los vientos estelares y los cálculos de masa del núcleo.

EDITAR: Como Rob explica a continuación, la historia de las teorías de pérdida de masa del viento estelar es un campo activo. Los progenitores de los agujeros negros de masa estelar son estrellas de gran masa (p. Ej. $ m _ { rm ZAMS} gtrsim 30 $ METRO$ _ { odot} $). Por ejemplo, las estrellas Wolf-Rayet se han considerado el punto final de la evolución nuclear estelar de estrellas de gran masa desde la década de 1980. Las estrellas WR tienen vientos fuertes para su tamaño, que son impulsados ​​por líneas, similares a las estrellas de tipo O de las que probablemente evolucionan. La tasa de pérdida de masa de la superficie estelar se modela típicamente como una ley de potencia de la luminosidad y metalicidad de la estrella, es decir, una mayor masa y una mayor metalicidad implican una mayor pérdida de masa. Entonces, una estrella inicialmente de gran masa experimentará fuertes vientos, incluso más si tiene una alta metalicidad (como señala Rob, los entornos de baja metalicidad podrían ser lugares de agujeros negros cerca / en nuestra galaxia). Sin embargo, como puede escuchar / leer en artículos científicos y de ciencia popular, ¡esto no excluye la existencia de agujeros negros de gran masa! Las estrellas más masivas que hemos observado hasta la fecha son las estrellas WR, lo que implica que podrían haber evolucionado a partir de estrellas aún más masivas y, en el caso extremo, se cree que las estrellas supermasivas son las "semillas" de los agujeros negros supermasivos.

Pero también he leído que los astrofísicos se sorprendieron al encontrar agujeros negros de más de 15 masas solares utilizando el Observatorio de ondas gravitacionales LIGO ...

Sospecho que ha leído esto en artículos de ciencia popular, que a menudo no caracterizan adecuadamente el sentimiento de un artículo científico, pero es algo difícil de hacer. La razón por la que cualquiera se sorprendería al encontrar agujeros negros con masas superiores a 15 M$ _ { odot} $, es que antes del descubrimiento de las BBH (a partir de las detecciones directas de ondas gravitacionales) solo teníamos pruebas sugestivas de la existencia de agujeros negros de masa estelar a partir de observaciones de binarias de rayos X. Consulte aquí y aquí las revisiones de los agujeros negros de masa estelar conocidos en binarios de rayos X.

“Estas observaciones son muy difíciles de explicar con escenarios astrofísicos y se explican con bastante facilidad con agujeros negros primordiales”, dice Sébastien Clesse, cosmólogo de la Universidad de Bruselas en Bélgica.

Nuevamente, esto solo depende de a quién le pregunte. Todos quieren decir que su trabajo es el canal de formación más relevante para lo que están viendo LIGO / Virgo, y esto está bien porque la cantidad de fuentes conocidas es aún demasiado pequeña para hacer afirmaciones rigurosas sobre la formación de fuentes de BBH a partir de detecciones de GW. Además, dado que la relación señal-ruido que pueden lograr los detectores de corriente es tan baja (por ejemplo, rara vez por encima de ~ 20), es muy difícil limitar la posible formación de un solo evento. Tantos eventos que están al borde de las incertidumbres teóricas actuales se denominan "difíciles de explicar". ¡Esta cita que proporcionaste es una demostración perfecta de esto, ya que en realidad no hay evidencia de que los agujeros negros primordiales existan para empezar!

Para el evento sobre el que preguntaste específicamente, GW190814, es difícil principalmente debido a la muy baja masa de la secundaria. Pero, esto podría explicarse, por ejemplo, por la evolución aislada de una estrella binaria con una relación de masa inicial muy baja, donde el componente menos masivo podría evolucionar a una estrella de neutrones o un agujero negro. Hay personas que estudian la evolución binaria aislada y afirman que todas las fuentes LIGO pueden explicarse por su canal, pero sintonizan sus simulaciones para producir los resultados LIGO. Hay personas que estudian la evolución de los canales dinámicos y afirman que hay pruebas sólidas de que esta o aquella fuente proviene de este canal. La gente tiene que escribir artículos y financiar a sus estudiantes, y hacen mucho del trabajo preliminar que hará plausibles investigaciones más rigurosas una vez que tengamos muestras más grandes de fuentes conocidas. En las próximas décadas, se espera que la tercera generación de detectores GW proporcione del orden de MILLONES de detecciones y luego las restricciones de formación a nivel de población serán mucho más convincentes, y estos detectores tendrán una relación señal-ruido muy alta. El sistema y la formación restrictiva de eventos individuales también serán más convincentes.

Leí en otra parte que, antes de LIGO, no se habían detectado agujeros negros estelares por encima de aproximadamente 15,65 masas solares, pero esa referencia no decía que no se esperaba ninguno por encima de esa masa ...

¡Espero haber aclarado esto ahora! Si lee los artículos previos a 2015 de la comunidad de GW, por ejemplo esta revisión, ciertamente esperaban ver agujeros negros binarios con masas superiores a 15 M$ _ odot $.


Añadiendo a Daddy Kropotkin una excelente respuesta. La razón física por la que es posible que no esperabas tener agujeros negros por encima de las 15 masas solares tiene que ver con la pérdida de masa estelar (que es muy incierta y un área de investigación activa).

Las estrellas pierden masa constantemente en sus vientos estelares, lo que reduce la masa final de la estrella y, por lo tanto, la masa de un agujero negro que puede formar. Esta pérdida de masa aumenta fuertemente con la cantidad de metales en una estrella y la masa de la estrella. Entonces, las estrellas masivas (que hacen agujeros negros) pierden mucha masa antes de morir, por lo que se necesitan estrellas aún más pesadas, inicialmente, para tener suficiente masa sobrante para hacer agujeros negros por encima de los 15 ms de sol, y cuanto más pesada es la masa inicial de una estrella es la más raro se espera que sea. Para las estrellas de la Vía Láctea (que se considera rica en metales), esto es aún más difícil, ya que la presencia de metales aumenta las tasas de pérdida de masa.

No es imposible hacer grandes agujeros negros en el MW (ver varios sistemas de rayos X) pero es difícil. Una opción es buscar agujeros negros en entornos de baja metalicidad donde los vientos serán más débiles. Pero entonces sabemos menos sobre la tasa de formación de estrellas en esos entornos, por lo que es más difícil calcular cuántos agujeros negros se formarán. La otra opción es reducir la pérdida de masa predicha por los vientos, que es hacia donde se dirige la teoría del viento reciente. Entonces, en el pasado, es posible que hayamos sobreestimado cuánta masa se pierde y, por lo tanto, no hemos predicho las masas finales de los agujeros negros.


No creo que haya ninguna sorpresa en absoluto y agujeros negros de masas de hasta unas 50 masas solares. se esperaban en otras galaxias distantes.

El límite superior de 15-20 masas solares surge en los agujeros negros que se forman a partir de estrellas en un gas rico en metales. es decir, esperamos un límite superior de aproximadamente 20 masas solares para los agujeros negros en el nuestro Galaxia.

Sin embargo, no existe tal restricción en los agujeros negros formados en el universo distante (pasado), potencialmente en galaxias que son muy pobres en metales. Allí, la inhibición de la pérdida de masa a través de los vientos estelares, debido a la menor opacidad de las envolturas pobres en metales, conduce a masas remanentes más grandes y agujeros negros más grandes.

Aquí hay dos imágenes que resumen la situación, de una revisión enormemente influyente de Heger et al. (2003), publicado mucho antes de las detecciones de LIGO. La línea roja en cada gráfico muestra la relación entre la masa inicial de una estrella (eje x) y la masa remanente final en el eje y. Esto muestra que se esperaba / se esperaba que se formaran remanentes de agujeros negros de hasta aproximadamente 50 masas solares a partir de estrellas masivas en gas primordial y tal vez incluso más para progenitores masivos más allá de la brecha de la "supernova de inestabilidad de pares"; pero hay / hubo quizás un límite superior de aproximadamente 10 masas solares de estrellas masivas con la metalicidad solar. (He visto una versión más reciente de este gráfico en algún lugar con un límite superior de alrededor de 20 masas solares en estrellas ricas en metales).

Antes de LIGO, por supuesto, todos los agujeros negros (de tamaño estelar) y los candidatos a agujero negro estaban en nuestra propia galaxia (rica en metales), orbitando estrellas ricas en metales. Así que no sorprende que todos tuvieran masas por debajo de las 20 masas solares.


Un agujero negro inusual podría cambiar lo que sabemos sobre astrofísica

Se cree que la Vía Láctea alberga alrededor de 100 millones de agujeros negros de masa estelar, formados durante la muerte de estrellas masivas. Los astrónomos y astrofísicos concluyeron hace años que tales agujeros negros deberían tener masas no mayores de alrededor de 20 veces la del Sol. Esa idea ahora se ha hecho añicos por el descubrimiento de un agujero negro con tres veces y media esa masa superior proyectada.

Sentado a 15.000 años luz de la Tierra se encuentra un agujero negro con 70 veces la masa del Sol. Descubierto por investigadores del Observatorio Astronómico Nacional de China (NAOC) (administrado por la Academia de Ciencias de China), este objeto, denominado LB-1, rompe las ideas sobre los agujeros negros grandes de masa estelar.

“Pensamos que las estrellas muy masivas con la composición química típica de nuestra Galaxia deben arrojar la mayor parte de su gas en poderosos vientos estelares, cuando se acercan al final de su vida. Por lo tanto, no deben dejar un remanente tan masivo. Ahora los teóricos tendrán que asumir el desafío de explicar su formación ”, explicó LIU Jifeng del Observatorio Astronómico Nacional de China.

Haciendo visible lo invisible

Hasta hace poco, los astrónomos solo podían detectar agujeros negros de masa estelar detectando potentes emisiones de luz de rayos X producidas cuando la materia giraba en espiral alrededor del enigmático objeto. Sin embargo, la mayoría de los agujeros negros formados por la muerte de estrellas no producen señales de rayos X potentes, y solo se han encontrado un par de docenas de agujeros negros de masa estelar en la Vía Láctea.

Utilizando el Telescopio Espectroscópico de Fibra Multi-Objeto de Gran Área del Cielo (LAMOST), los investigadores examinaron estrellas en órbita con un compañero invisible, en una búsqueda para encontrar agujeros negros adicionales que se formaron a partir de estrellas muertas masivas.

La idea de encontrar agujeros negros utilizando este método no es nueva: el concepto fue propuesto por primera vez por el científico inglés John Michell en 1783. Sin embargo, la tecnología necesaria para realizar estas búsquedas solo ha estado disponible para los astrónomos en los últimos años.

Se cree que solo una de cada mil estrellas orbita en un sistema binario con agujeros negros, lo que dificulta la búsqueda para los astrónomos. Sin embargo, se detectó un sistema de este tipo, y los telescopios más grandes del mundo, el Gran Telescopio Canarias en las Islas Canarias y el telescopio Keck I de 10 metros en Hawai, apuntaron sus miras hacia el improbable par.

Pronto, el sistema se resolvió como una estrella ocho veces más masiva que nuestro Sol orbitando un agujero negro de 70 masas solares. La pareja orbita alrededor de su centro de masa común una vez cada 79 días.

“El largo período orbital de 78,9 días muestra que se trata de un sistema binario amplio. Los experimentos de ondas gravitacionales han detectado agujeros negros de masa similar, pero la formación de estos masivos en un entorno de alta metalicidad sería extremadamente desafiante dentro de las teorías actuales de la evolución estelar ”, informaron los investigadores en un artículo publicado en la revista. Naturaleza, describiendo sus hallazgos.

¿Dónde he visto esto antes?

Los agujeros negros se dividen en cuatro clases: primordiales, supermasivos, intermedios y estelares. Los agujeros negros primordiales se formaron durante la era temprana de la materia en el Universo, mientras que los agujeros negros supermasivos (que existen cerca de los centros de casi todas las galaxias) son los más masivos. Los objetos de clase intermedia son los menos comprendidos de todos estos objetos, y los agujeros negros de masa estelar, formados durante la muerte de las estrellas más grandes, son los más comunes.

“¿Por qué los agujeros negros son tan diferentes de todos los demás objetos del Universo macroscópico? ¿Por qué son ellos, y solo ellos, tan elegantemente simples? Si supiera la respuesta, probablemente me diría algo muy profundo sobre la naturaleza de las leyes físicas. Pero no lo sé ".
- Kip S. Thorne, Black Holes y amp Time Warps: el indignante legado de Einstein

Las primeras nociones de agujeros negros llegaron a finales del siglo XVIII, pero nuestras ideas modernas de estas regiones comenzaron con el astrónomo alemán Karl Schwarzschild, quien desarrolló sus nociones a partir del trabajo de Albert Einstein. Fue Schwarzschild quien desarrolló por primera vez el concepto de horizonte de eventos, el borde alrededor de un agujero negro más allá del cual nada, ni siquiera la luz, podía escapar.

“Para un agujero negro no giratorio, el radio del horizonte de sucesos se conoce como radio de Schwarzschild y marca el punto en el que la velocidad de escape del agujero negro es igual a la velocidad de la luz. En teoría, cualquier masa puede comprimirse lo suficiente para formar un agujero negro. El único requisito es que su tamaño físico sea menor que el radio de Schwarzschild. Por ejemplo, nuestro Sol se convertiría en un agujero negro si su masa estuviera contenida dentro de una esfera de unos 2,5 km [1,5 millas] de diámetro ”, describe el Centro Swinburne de Astrofísica y Supercomputación.

En los últimos años, los astrónomos han detectado ondas en el espacio-tiempo como resultado de colisiones de agujeros negros masivos en galaxias distantes. Los cálculos de estos eventos muestran que los agujeros negros involucrados en estas colisiones son mucho más masivos de lo que los astrónomos habían predicho que podrían existir en nuestra propia galaxia.

Las mediciones de LB-1 muestran que también existen agujeros negros masivos similares en nuestra propia galaxia, lo que hace que los astrofísicos reconsideren cómo se forman esos agujeros negros de masa estelar. Este hallazgo podría resultar en cambios significativos en la forma en que pensamos sobre los agujeros negros, alterando potencialmente para siempre la forma en que pensamos sobre los objetos más densos del Universo.

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Los astrónomos descifran el misterio de los antiguos agujeros negros supermasivos

Los agujeros negros supermasivos son una de las potencias cósmicas que influye en una gran parte del Universo, de ahí que los astrónomos sean inflexibles en la comprensión de su comportamiento. Crédito de la imagen: S. Woods / Western University

Astrofísicos de la Western University, Ontario, Canadá, han encontrado evidencia de la formación directa de agujeros negros que no necesitan emerger de un remanente de estrellas. La producción de agujeros negros en el Universo temprano, formada de esta manera, puede proporcionar a los científicos una explicación de la presencia de agujeros negros extremadamente masivos en una etapa muy temprana de la historia de nuestro Universo.

Shantanu Basu y Arpan Das del Departamento de Física y Astronomía de Western han desarrollado una explicación para la distribución observada de las masas y luminosidades de los agujeros negros supermasivos, para la cual no existía previamente una explicación científica. Los hallazgos fueron publicados recientemente por Cartas de revistas astrofísicas .

El modelo se basa en una suposición muy simple: los agujeros negros supermasivos se forman muy, muy rápidamente durante períodos de tiempo muy, muy cortos y luego, de repente, se detienen. Esta explicación contrasta con la comprensión actual de cómo se forman los agujeros negros de masa estelar, que es que emergen cuando el centro de una estrella muy masiva colapsa sobre sí mismo.

& # 8220 Esta es una evidencia de observación indirecta de que los agujeros negros se originan a partir de colapsos directos y no de restos estelares, & # 8221, dice Basu, profesor de astronomía en Western, reconocido internacionalmente como experto en las primeras etapas de la formación estelar y la evolución del disco protoplanetario. .

Los agujeros negros supermasivos se encuentran generalmente en el centro de las galaxias. Crédito de imagen: NASA

Basu y Das desarrollaron el nuevo modelo matemático calculando la función de masa de los agujeros negros supermasivos que se forman durante un período de tiempo limitado y experimentan un rápido crecimiento exponencial de masa. El crecimiento de masa puede ser regulado por el límite de Eddington que está establecido por un equilibrio de las fuerzas de radiación y gravitación o incluso puede excederlo por un factor modesto.

& # 8220Los agujeros negros supermasivos solo tuvieron un corto período de tiempo en el que pudieron crecer rápidamente y luego, en algún momento, debido a toda la radiación en el Universo creada por otros agujeros negros y estrellas, su producción se detuvo, & # 8221 explica Basu. & # 8220Ese & # 8217 es el escenario de colapso directo. & # 8221

Durante la última década, muchos agujeros negros supermasivos que son mil millones de veces más masivos que el Sol se han descubierto en altos & # 8216rojos al rojo & # 8217, lo que significa que estaban en su lugar en nuestro Universo dentro de los 800 millones de años después del Big Bang. La presencia de estos agujeros negros jóvenes y muy masivos cuestiona nuestra comprensión de la formación y el crecimiento de los agujeros negros. El escenario de colapso directo permite masas iniciales que son mucho mayores de lo que implica el escenario de remanente estelar estándar, y pueden ser de gran ayuda para explicar las observaciones. Este nuevo resultado proporciona evidencia de que tales agujeros negros de colapso directo se produjeron en el Universo temprano.

Basu cree que estos nuevos resultados se pueden utilizar con observaciones futuras para inferir la historia de formación de los agujeros negros extremadamente masivos que existen en tiempos muy tempranos en nuestro Universo.

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El agujero negro en Cygnus X-1 es tan masivo que desafía los modelos actuales de evolución estelar

Con un peso de aproximadamente 21 masas solares, el agujero negro en el sistema binario de rayos X Cygnus X-1 es tan masivo que desafía los modelos actuales de evolución estelar, revela un nuevo estudio.

En última instancia, la masa de un agujero negro está determinada por las propiedades de su estrella madre y generalmente está limitada por la masa perdida por los vientos estelares a lo largo de su vida. Si un agujero negro interactúa con una estrella compañera binaria, el sistema emite rayos X y, a veces, puede formar chorros de radio, que hacen que los sistemas sean visibles para las observaciones electromagnéticas como un binario de rayos X.

Observaciones recientes muestran que el agujero negro en el sistema Cygnus X-1 tiene 21 veces la masa del Sol, un aumento del 50 por ciento con respecto a estimaciones anteriores. Para formar un agujero negro tan masivo, los astrónomos tuvieron que revisar sus estimaciones de cuánta masa pierden las estrellas a través de los vientos estelares. Crédito: Centro Internacional de Investigación en Radioastronomía

Las mediciones de binarios de rayos X conocidos han demostrado que los agujeros negros en estos sistemas tienen masas por debajo de 20 masas solares (M☉), siendo el más grande de 15-17 M☉. Sin embargo, las detecciones de ondas gravitacionales de eventos de fusión de agujeros negros han encontrado agujeros negros más masivos, alcanzando más de 50 M☉, revelando una discrepancia que desafía las teorías actuales sobre la formación de agujeros negros a partir de estrellas masivas.

Aquí, James Miller-Jones y sus colegas presentan nuevas observaciones de Cygnus X-1, un agujero negro de masa estelar bien estudiado ubicado en nuestra Vía Láctea, utilizando el Very Long Baseline Array (VLBA). Entre el 29 de mayo y el 3 de junio de 2016, realizaron seis observaciones (una por día) de Cygnus X-1 con el VLBA.

Utilizando los nuevos datos y observaciones de archivo, Miller-Jones et al. refinó la distancia al binario de rayos X y encontró que estaba más lejos de lo estimado previamente, elevando así la masa inferida del agujero negro del sistema y # 8217 a 21 M☉.


Una animación que muestra el sistema Cygnus X-1, que consiste en un agujero negro en órbita con una estrella gigante. Observaciones recientes de radiotelescopios han encontrado que el sistema está un 20 por ciento más lejos de lo que se pensaba, lo que implica que el agujero negro tiene 21 veces la masa del Sol, lo que lo convierte en el agujero negro de masa estelar más masivo jamás detectado sin el uso de ondas gravitacionales. Crédito: Centro Internacional de Investigación en Radioastronomía

Las nuevas mediciones establecen a Cygnus X-1 como el agujero negro de masa estelar detectado electromagnéticamente más masivo que se conoce actualmente. Según los autores, para que exista un agujero negro de esta masa en la Vía Láctea, la masa perdida a través de los vientos estelares durante la evolución de la estrella progenitora debe haber sido menor de lo que predicen los modelos actuales.


Los astrónomos descubren un agujero negro de masa intermedia

En la ilustración de este artista, un agujero negro de masa intermedia en primer plano distorsiona la luz del cúmulo de estrellas globular en el fondo. Una nueva investigación sugiere que un agujero negro de 2.200 masas solares reside en el centro del cúmulo globular 47 Tucanae.

Los astrónomos del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica revelan nueva evidencia de que un agujero negro de masa intermedia que pesa 2.200 soles se esconde en el centro del cúmulo de estrellas globular 47 Tucanae.

Todos los agujeros negros conocidos se dividen en dos categorías: agujeros negros pequeños de masa estelar que pesan unos pocos soles y agujeros negros supermasivos que pesan millones o miles de millones de soles. Los astrónomos esperan que también existan agujeros negros de masa intermedia que pesen 100 & # 8211 10,000 Soles, pero hasta ahora no se han encontrado pruebas concluyentes de tales pesos medios. Hoy, los astrónomos están anunciando nueva evidencia de que un agujero negro de masa intermedia (IMBH) que pesa 2.200 soles se esconde en el centro del cúmulo de estrellas globular 47 Tucanae.

& # 8220 Queremos encontrar agujeros negros de masa intermedia porque son el eslabón perdido entre los agujeros negros de masa estelar y supermasivos. Pueden ser las semillas primordiales que se convirtieron en los monstruos que vemos en los centros de las galaxias hoy, & # 8221, dice el autor principal Bulent Kiziltan del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (CfA).

47 Tucanae es un cúmulo de estrellas de 12 mil millones de años ubicado a 13,000 años luz de la Tierra en la constelación austral de Tucana el Tucán. Contiene cientos de miles de estrellas en una bola de solo unos 120 años luz de diámetro. También contiene alrededor de dos docenas de púlsares que fueron objetivos importantes de esta investigación.

47 Tucanae ha sido examinado antes en busca de un agujero negro central sin éxito. En la mayoría de los casos, un agujero negro se encuentra buscando rayos X provenientes de un disco caliente de material que gira a su alrededor. Este método solo funciona si el agujero negro se está alimentando activamente de gas cercano. El centro de 47 Tucanae está libre de gas, lo que efectivamente mata de hambre a cualquier agujero negro que pueda acechar allí.

El agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea también delata su presencia por su influencia en las estrellas cercanas. Años de observaciones infrarrojas han mostrado un puñado de estrellas en nuestro centro galáctico girando alrededor de un objeto invisible con un fuerte tirón gravitacional. Pero el abarrotado centro de 47 Tucanae hace que sea imposible observar los movimientos de las estrellas individuales.

La concepción de este artista muestra otra representación del agujero negro de masa intermedia que puede acechar en el centro del cúmulo globular 47 Tucanae.

La nueva investigación se basa en dos líneas de evidencia. El primero son los movimientos generales de las estrellas en todo el cúmulo. El entorno de un cúmulo globular es tan denso que las estrellas más pesadas tienden a hundirse en el centro del cúmulo. Un IMBH en el cúmulo & # 8217s centro actúa como una & # 8220cuchara & # 8221 cósmica y agita la olla, haciendo que esas estrellas se disparen a velocidades más altas y distancias mayores. Esto imparte una señal sutil que los astrónomos pueden medir.

Empleando simulaciones por computadora de movimientos y distancias estelares, y comparándolas con observaciones de luz visible, el equipo encuentra evidencia de este tipo de agitación gravitacional.

La segunda línea de evidencia proviene de los púlsares, remanentes compactos de estrellas muertas cuyas señales de radio son fácilmente detectables. Estos objetos también son lanzados por la gravedad del IMBH central, lo que hace que se encuentren a mayores distancias del centro del cúmulo y de lo que se esperaría si no existiera un agujero negro.

Combinada, esta evidencia sugiere la presencia de un IMBH de aproximadamente 2.200 masas solares dentro de 47 Tucanae.

Dado que este agujero negro ha eludido la detección durante tanto tiempo, IMBH similares pueden estar escondidos en otros cúmulos globulares. Localizarlos requerirá datos similares sobre las posiciones y movimientos tanto de las estrellas como de los púlsares dentro de los cúmulos.

Publicación: Bülent Kızıltan, et al., & # 8220 Un agujero negro de masa intermedia en el centro del cúmulo globular 47 Tucanae, & # 8221 Nature 542, 203-205 (9 de febrero de 2017) doi: 10.1038 / nature21361


Los astrónomos hacen un dibujo de composición de los escurridizos agujeros negros errantes

Representación de un cúmulo estelar hipercompacto para el instrumento NISP a bordo del próximo telescopio Euclid. La barra de color representa el recuento de fotones. Crédito: SRON / RU

Cuando dos galaxias chocan, sus agujeros negros centrales se fusionan y emiten ondas gravitacionales. Los astrónomos teorizan que un efecto de retroceso a veces expulsa al agujero negro fusionado de la galaxia mientras arrastra a las estrellas cercanas durante el viaje. Investigadores de SRON y Radboud University ahora han hecho una predicción de cómo se verán estos grupos para identificarlos y probar su existencia. Sus hallazgos se publican en MNRAS.

Los astrónomos piensan que todas las galaxias masivas albergan un agujero negro central que pesa entre millones y miles de millones de masas solares. Es posible que haya agujeros negros más pequeños en los núcleos de las galaxias enanas. El agujero negro central más famoso es el que está dentro de la galaxia M87, que se convirtió en el primero fotografiado en 2019.

Cuando dos galaxias se fusionan, sus estrellas se mezclarán en su mayoría sin chocar, pero los dos agujeros negros centrales se fusionarán. La fusión produce ondas gravitacionales que transportan cantidades extremas de energía, comparables a una bomba atómica con la masa de varios soles. Puedes imaginar que si esta energía se irradia aunque sea ligeramente asimétrica, habrá un retroceso en la otra dirección, similar a un astronauta disparando un arma en el espacio. Si el retroceso es lo suficientemente fuerte, el agujero negro fusionado resultante es expulsado de su propia galaxia. Cualquier estrella que estuviera unida gravitacionalmente a ella será arrastrada para el viaje. Así es como surgen los cúmulos estelares hipercompactos (HCSC), al menos según la teoría, aún no se han detectado en la vida real.

Un grupo de astrónomos del Instituto de Investigación Espacial de los Países Bajos SRON y la Universidad de Radboud pensaron que los HCSC podrían estar ocultos en las bases de datos existentes, incluidas las del telescopio Gaia y el Sloan Digital Sky Survey. Pero rápidamente se dieron cuenta de que nadie había hecho predicciones detalladas sobre cómo se verían en la base de datos.

Entonces, como primer paso en su búsqueda, ahora han hecho sus propias predicciones y las han publicado en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society. El equipo, incluido el primer autor Davide Lena y el líder del grupo Peter Jonker, predice los colores, las imágenes y los espectros de los HCSC diseñados específicamente para cada base de datos. También calcularon cómo aparecería un cúmulo en una imagen de telescopio bidimensional.

Si los investigadores logran identificar el primer HCSC de la vida real, pueden derivar la velocidad de retroceso que recibió del retroceso tras la fusión de las dos galaxias de las que emergió. Lena says, "That has already been calculated from simulations of gravitational waves, but those are based on theories that need to be confirmed by observations."

Any ejected black holes in the Milky Way's outskirts will have been the result of mergers between a dwarf galaxy and a young Milky Way that had recently started from scratch, building a massive black hole in its center. So those merged black holes should be of no more than intermediate mass between hundreds and hundreds of thousands of solar masses. "The existence of intermediate mass black holes is debated," says Lena. "If we indeed find HCSCs, we will at the same time show the existence of intermediate-mass black holes. We can then confirm this by measuring the mass of the black holes through spectroscopic observations of the HCSC."

Jonker says, "We think that mergers play an important part in forming massive black holes. ESA's LISA satellite, to be launched in 2034, will be able to detect their gravitational waves. Among others SRON and Radboud University are set to contribute to building this fantastic satellite."


Small black hole, fast eater

The discovery in question is a black hole labeled P13 in the outskirts of the nearby spiral galaxy NGC 7793, about 12 million light-years away. This black hole, by far the brightest X-ray source in its galaxy, was discovered more than 30 years ago by NASA's Einstein X-ray telescope.

The black hole possesses a companion star, a kind of blue supergiant 18 to 23 times the mass of the sun. As gas from this companion gets sucked into P13, this matter becomes very hot and bright, making the black hole at least a million times brighter than the sun.

The astronomers gazed at the black hole and its companion with a combination of optical and X-ray telescopes over the course of eight years &mdash the European Southern Observatory's Very Large Telescope in Chile, as well as the European Space Agency's XMM-Newton and NASA's Chandra and Swift X-ray observatories in space. The researchers determined that the black hole and its companion star complete a very oval-shaped orbit around each other every 64 days.

When the black hole approaches the star, the X-rays from it heat up and brighten the side of the star facing the black hole. By carefully modeling this effect, the astronomers were able to estimate the black hole's mass.


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The weighted sum of two probability density functions is indeed another probability density function. First, note that all values for the function are non-negative. Then just integrate them and see that the area under the curve is unity. The weighted sum is called a mixture of two distributions.

If you want to use your computer to simulate a random number generator for the mixture, you need to draw randomly from the first distribution, randomly from the second, and then use a uniform distribution to draw a third number between 0 and 1. If the third number is less than $b$, you report your first draw. Otherwise, you report the draw from the second distribution.


The History of “Dark Bodies” and the Birthplace of Black Holes

Cosmic vortex: The black hole Cygnus X-1 swallows matter of an adjacent blue giant star, emitting X-rays.

The idea that black holes exist dates back to the 18th century with John Michell and astronomer Pierre-Simon de Laplace. Later, Einstein used his General Theory of Relativity to pave the way for these “dark bodies” to enter the realms of science.

Black holes are not made up of matter, although they have a large mass. This explains why it has not yet been possible to observe them directly, but only via the effect of their gravity on the surroundings. They distort space and time and have a really irresistible attraction. It is hard to believe that the idea behind such exotic objects is already more than 230 years old.

The birthplace of black holes is to be found in the peaceful village of Thornhill in the English county of Yorkshire. In the 18th century, this is where John Michell made his home, next to the medieval church. He was the rector here for 26 years and – as borne out by the inscription on his memorial in the church – highly respected as a scholar as well. In fact, Michell had studied not only theology, Hebrew and Greek at Cambridge, but had also turned his attention to the natural sciences.

Thought games: in 1796, the French mathematician, physicist and astronomer Pierre-Simon de Laplace described the idea of ​​heavy stars from which light could not escape.

His main interest was geology. In one treatise, which was published after the Lisbon earthquake of 1755, he claimed that subterranean waves existed which propagated such an earthquake. This theory caused quite a stir in the academic world, and led to John Michell being accepted as a Fellow of the Royal Society in London, not least because of this theory.

He gave a talk before this renowned society in 1783 on the gravitation of stars. He used a thought experiment to explain that light would not leave the surface of a very massive star if the gravitation was sufficiently large. And he deduced: “Should such an object really exist in nature, its light could never reach us.”

More than a decade after Michell, another scientist took up this same topic: in his book published in 1796 – Exposition du Système du Monde – the French mathematician, physicist and astronomer Pierre-Simon de Laplace described the idea of massive stars from which no light could escape this light consisted of corpuscles, very small particles, according to the generally accepted theory of Isaac Newton. Laplace called such an object corps obscur, i.e. dark body.

The physical thought games played by John Michell and Pierre-Simon de Laplace did not meet with much response, however, and were quickly forgotten. It was left to Albert Einstein with his General Theory of Relativity to pave the way for these “dark bodies” to enter the realms of science – without this really being his intention. Although the existence of point singularities, in which matter and radiation from our world would simply disappear, can be derived from the equations he published in 1915, 1939 saw Einstein publish an article in the journal Annals of Mathematics in which he intended to prove that such black holes were impossible.

Higher mathematics: Karl Schwarzschild calculated the size and behavior of a non-rotating and non-electrically charged static black hole in 1916, based on the general theory of relativity.

But back in 1916, the astronomer Karl Schwarzschild had taken the Theory of General Relativity as his basis to calculate the size and the behavior of a non-rotating static black hole carrying no electric charge. His name has been given to the mass-dependent radius of such an object, inside which nothing can escape to the outside. This radius would be around one centimeter for Earth.

Schwarzschild had a meteoric career during his short life. Born in 1873 as the eldest of six children of a German-Jewish family in Frankfurt, his talent emerged at an early age. He was only 16 when he published two papers in a renowned journal on the determination of the orbits of planets and binary stars. His subsequent career in astronomy took him via Munich, Vienna and Göttingen to Potsdam, where he became director of the astrophysical observatory in 1909. A few years later, in the middle of Word War I – Karl Schwarzschild was artillery second lieutenant on the Eastern front in Russia – he derived the exact solutions for Einstein’s field equations. He died on 11 May 1916 from an auto-immune disease of the skin.

The topic of black holes did not yet find its way into the scientific domain, however. If anything, the interest in Einstein’s theoretical construct diminished more and more after the initial hype. This phase lasted approximately from the mid-1920s to the middle of the 1950s. Then followed what the physicist Clifford Will called the “renaissance” of the General Theory of Relativity.

It now became important to describe objects which initially were only of interest to the theoreticians. White dwarves, for example, or neutron stars where matter exists in very extreme states. Their unexpected properties could be explained with the aid of new concepts derived from this theory. So the black holes moved into the focus of attention as well. And scientists working on them became stars – like the British physicist Stephen Hawking.

At the beginning of the 1970s, Uhuru heralded in a new era for observational astronomy. The satellite surveyed the universe in the range of extremely short wavelength X-ray radiation. Uhuru discovered hundreds of sources, usually neutron stars. But among them was one particular object in the Cygnus (=swan) constellation. It was given the designation Cygnus X-1. Researchers discovered it to be a giant star of around 30 solar masses which shone with a blue glow. An invisible object of around 15 solar masses orbits around it – apparently a black hole.

This also explains the X-rays recorded: the gravity of the black hole attracts the matter of the main star. This collects in a so-called accretion disk around the massive monster, swirls around it at incredibly high speed, is heated up to several million degrees by the friction – and emits X-rays before it disappears in the space-time chasm.

Cygnus X-1 is by no means the only black hole which the astronomers have detected indirectly. So far, they have found a whole series of them with between 4 and 16 solar masses. But there is one which is much more massive. It is located at the heart of our Milky Way, around 26,000 light years away, and was discovered at the end of the 1990s. In 2002, a group including Reinhard Genzel from the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics succeeded in making a sensational discovery: at the Very Large Telescope of the European Southern Observatory (ESO), the scientists observed a star which had approached the galactic center to within a mere 17 light hours (just over 18 billion kilometers).

During the months and years that followed, they were able to observe the orbital motion of this star, which was given the designation S2. It orbits the center of the galaxy (Sagittarius A*) once every 15.2 years at a speed of 5000 kilometers per second. From the motion of S2 and other stars, the astronomers concluded that around 4.5 million solar masses are concentrated in a region the size of our planetary system. There is only one plausible explanation for such a density: a gigantic black hole.

Our Milky Way is no exception: the scientists believe that these mass monsters lurk at the centers of most galaxies – some even much larger than Sagittarius A*. A black hole of approx. 6.6 billion solar masses is located inside a giant galaxy known as M87! Like Sagittarius A*, this stellar system 53 million light years away is also part of the observation program of the Event Horizon Telescope.

With the discovery of gravitational waves in September 2015, the history of black holes reached its present climax. At that time, waves from two merging holes with 36 and 29 solar masses were registered. This heralded in a new era of astronomy, whose aim is to bring light into the dark universe. And also to shed light on these mysterious black holes.


The first error is that you must inherit publicly from Shape To be able to call the Shape's constructor in the derived object construction.

The second error is because class Shape must be polymorphic which means at least there's a virtual method:

Polymorphism requires pointer to base class and virtual functions and operator overloading.

You could use dynamic_cast to cast a derived class to a non polymorphic base class. But you cannot dynamic_cast a non polymorphic base to a derived class.

The lines above works fine even if the base class Shape is not polymorphic.