¿Se ha observado ganancia de masa por acreción en un agujero negro?

¿Hemos observado que un agujero negro gana masa directamente a través de la acreción? Es decir, ¿hemos observado que el agujero negro tiene masa metro 1 en el momento t 1 y luego observó que su masa era metro 2 > metro 1 en otro momento t 2 > t 1 ?

Entiendo que esto probablemente sería plausible para binarias de rayos X de masa estelar o para agujeros negros supermasivos, y que la incertidumbre sobre la medición de masa de dicho agujero negro tendría que ser menor que el cambio en la masa debido a la acreción. Pero me pregunto si tenemos alguna evidencia observacional de que la masa de un agujero negro aumenta a medida que se acumula (por supuesto, en teoría debería, independientemente de si la singularidad gravitacional "realmente existe" o no).

Hemos observado con ondas gravitacionales que los agujeros negros ganan masa como resultado de absorber otros agujeros negros o estrellas de neutrones. Creo que la ganancia de masa de los discos de acreción sería demasiado lenta para observarla en un tiempo razonable.
De hecho, pero realmente quiero preguntar acerca de la acumulación, no de las fusiones. Entonces, ¿si se pudiera mostrar un argumento cuantitativo que demuestre que la cantidad de masa ganada a través de la acumulación en escalas de tiempo de observación humana es demasiado pequeña para medirla? ¿Y en qué régimen sería posible observar una tasa de acreción lo suficientemente alta durante el tiempo suficiente para observar un cambio en la masa a partir de la acreción?
+1para una pregunta interesante! Espero que las siguientes preguntas extiendan esto también a otros objetos. Los efectos de la caída de masa pueden generar llamaradas, pero las mediciones posteriores demostraron que el aumento de masa es un desafío.

Respuestas (1)

Desafortunadamente, la respuesta es "No", porque las tasas de acumulación son demasiado bajas, y nuestra capacidad para medir las masas de los agujeros negros es demasiado incierta, para que esto sea visible en tiempos razonables. Dada nuestra capacidad actual para medir las masas de los agujeros negros, normalmente tendría que esperar millones o decenas de millones de años para ver cambios relacionados con la acreción.

Veamos los agujeros negros supermasivos (SMBH)[1]. La medida de masa más precisa para el SMBH[2] de una galaxia externa es para NGC 4258 (M106): 3.98 ± 0.04 × 10 7 METRO ⊙ ( Reid et al. 2019 ). Otras mediciones de SMBH son , en el mejor de los casos, inciertas al nivel del 10%, y muchas son inciertas por varios factores. Entonces, como mínimo, necesita que la masa SMBBH crezca al menos un porcentaje para tener alguna posibilidad de detectar el cambio. ¿Cuánto tiempo tomaría eso?

Daly (2021) tiene algunas buenas tablas con estimaciones de la tasa de acreción (en masas solares por año) y las correspondientes masas de agujeros negros. La tasa de acumulación más alta es de unas 10 masas solares por año, para el cuásar 3C 268,4 (Tabla 4). Dado que este cuásar tiene una masa SMBH estimada de 6 × 10 9 METRO ⊙ , necesitarías alrededor de 60 millones de años para obtener un aumento del 10 % en la masa, o 6 millones de años para obtener un aumento del 1 %. (¡Suponiendo que la tasa de acumulación se mantenga estable, lo cual no está garantizado!)

Para NGC 4258, donde podemos medir la masa SMBH en un nivel de aproximadamente el 1 %, la tasa de acreción estimada (para el núcleo de Seyfert) es de aproximadamente 0,002 masas solares por año. Así que tendríamos que esperar unos 200 millones de años para ver un aumento medible en su masa.

La Tabla 1 de ese documento tiene algunos valores medios para las tasas de acreción y las masas de SMBH, que muestran que la tendencia general es la misma que para esos dos casos específicos: tendrá que esperar al menos varias decenas de millones de años para ver un aumento mensurable en la masa SMBH.

El mismo documento también tiene algunas mediciones de agujeros negros galácticos ("masa estelar") para binarios de rayos X. Aunque las masas de BH son mucho más pequeñas (algunas menos de 10 METRO ⊙ ), también lo son las tasas de acumulación. El BH de menor masa (GX 339-4, aproximadamente 6 METRO ⊙ ) tiene una tasa de acumulación de aproximadamente 3 × 10 − 9 METRO ⊙ por año, por lo que necesitaría unos 20 millones de años para ver un aumento del 1% en la masa. (Sospecho que la incertidumbre en la masa de BH es probablemente al menos del 10%, por lo que es más probable que necesite varios cientos de millones de años).

[1] En parte porque son el tipo de agujeros negros que estudio, así sé más sobre los datos.

[2] El propio SMBH (Sgr A*) de la Vía Láctea tiene una medida de masa de 4.152 ± 0.014 × 10 6 METRO ⊙ , que es una incertidumbre de ∼ 0.3 %, pero su tasa de acumulación actual (Daly 2021) es ∼ 6 × 10 − 7 METRO ⊙ por año, por lo que tendrías que esperar unos diez mil millones de años ...

¡Gracias por esta completa respuesta! Es muy útil ver algunos ejemplos de sistemas clave con sus masas y tasas de acumulación. Sospeché que sería inútil medir la ganancia de masa directamente. ¡¡¡Especialmente con Sgr A*!!! El sol podría morir antes de que veamos su masa cambiar apreciablemente ;D
Entonces, antes de aceptar su respuesta, tengo una pregunta de seguimiento: ¿existen métodos indirectos para detectar un cambio en la masa? Por ejemplo, en principio, ¿puede la emisión de rayos X de la acreción en un cuerpo compacto afectar a las estrellas circundantes de una manera que pueda usarse para inferir un cambio en la masa, es decir, la luminosidad cambia por X , lo que implicaría que la masa del BH cambió por y ? ¿O eso tampoco es factible ya que el cambio en la luminosidad sería esencialmente indetectable en el marco de tiempo humano?
@DaddyKropotkin Sospecho firmemente que eso no funcionaría, no solo porque (como sugiere) el cambio en la luminosidad sería demasiado lento, sino también porque dependería de muchas otras cosas (especialmente la tasa de acreción en sí misma, inestabilidades en el disco de acreción, etc.).
Si observa la Tabla 3 del artículo de Daly (2021), puede ver todo tipo de fluctuaciones en la tasa de acreción (que se basa en la luminosidad de acreción) para los binarios de rayos X, por ejemplo, variaciones de un orden de magnitud. o más. Por lo tanto, sería peor que medir la masa dinámicamente, donde no tiene que preocuparse por la estrella secundaria (o los puntos de emisión máser o lo que sea) saltando en escalas de tiempo cortas.
Si bien estoy de acuerdo en que la precisión es un problema, creo que sus evaluaciones pueden ser demasiado pesimistas. ¿Puede explicar qué gobierna las incertidumbres en la medición de masa? Si fuera porque la distancia al BH es incierta, por ejemplo, esto no jugaría ningún papel en la determinación de la precisión con la que podría detectar un cambio en la masa del BH.
@ProfRob Para la gran mayoría de las mediciones de SMBH, las incertidumbres son incertidumbres estadísticas formales del modelado (p. ej., Δ x v 2 = 1 , distribuciones de verosimilitud marginadas acumuladas, etc.; ver, por ejemplo, Sec.7 de Erwin+2018 ). Las incertidumbres de la distancia casi nunca se incluyen en esto.
De acuerdo, pero el documento al que te refieres para NGC 4258 parece tratar de determinar simultáneamente la distancia con los parámetros del agujero negro. Entonces, mi punto es que uno debe mirar las incertidumbres de los parámetros BH con la distancia (y cualquier otro parámetro "poco interesante") fijado con el fin de responder la pregunta. Estoy seguro de que las precisiones son aún demasiado pobres para tener la esperanza de medir un aumento de masa.
Claro, aunque ese es un caso único en el que la distancia es más interesante que la masa BH (ya que es una determinación directa que permite una calibración independiente de su distancia a la estrella Cefeida). Si observa el diagrama de la esquina en la Fig. 1, es difícil ver cómo obtendría más de un factor de mejora de 2-5 en la incertidumbre de la masa BH si mantuviera fija la distancia. Entonces, tal vez 40 millones de años en lugar de 200 millones para esa galaxia...
¿Se ha observado ganancia de masa por acreción en un agujero negro?
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