ALMA sondea los misterios de los chorros procedentes de agujeros negros gigantes

Composición de la galaxia NGC 1433 con imágenes de ALMA y Hubble

Dos equipos internacionales de astrónomos han utilizado las capacidades de ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) para estudiar en detalle los chorros que emiten los enormes agujeros negros del centro de las galaxias y observar cómo afectan a su entorno. Han logrado, por un lado, la mejor imagen obtenida hasta el momento del gas molecular que rodea a un agujero negro cercano y poco activo y, por otro, han captado un inesperado destello de la base de un potente chorro cercano a un agujero negro distante.

En el centro de casi todas las galaxias del universo hay agujeros negros supermasivos — con masas de más miles de millones de veces la masa del Sol —, incluso en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. En un pasado remoto, estos extraños objetos eran muy activos, engullendo enormes cantidades de material de sus alrededores, resplandeciendo con un brillo cegador y eyectando diminutas fracciones de esa materia a través de chorros extremadamente potentes. En el universo actual, la mayor parte de los agujeros negros supermasivos son mucho menos activos que en su juventud, pero la interacción entre los chorros y su entorno aún sigue moldeando a las galaxias.

En esta imagen del telescopio espacial Hubble de NASA/ESA podemos ver la galaxia activa distante PKG 1830-211. Se muestra como un objeto ordinario parecido a una estrella, difícil de distinguir entre las verdaderas estrellas, mucho más cercanas, que hay en esta imagen. Recientes observaciones de ALMA muestran los dos componentes de esta lejana lente gravitatoria, que en esta composición de imágenes está marcada en rojo. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/I. Martí-Vidal

Dos nuevos estudios publicados hoy en la revista Astronomy & Astrophysics, han utilizado ALMA para sondear los chorros de los agujeros negros a escalas muy diferentes: un agujero negro cercano y relativamente tranquilo en la galaxia NGC 1433 y un objeto muy distante y activo llamado PKS 1830-211.

"ALMA ha revelado la existencia de una sorprendente estructura espiral en el gas molecular cercano al centro de NGC 1433," afirma Françoise Combes (Observatorio de París, Francia), autora principal del primer artículo. "Esto explica cómo fluye el material hacia el interior para alimentar al agujero negro. Con estas nuevas y precisas observaciones de ALMA hemos descubierto un chorro de material que fluye fuera del agujero negro, extendiéndose solo unos 150 años luz. Es el chorro molecular de este tipo más pequeño observado hasta ahora en una galaxia externa".

El descubrimiento de este chorro, que está siendo arrastrado junto con el chorro desde el agujero negro central, muestra cómo este tipo de chorros pueden frenar la formación estelar y regular el crecimiento de los bulbos centrales de las galaxias [1].

La imagen principal, que muestra a la galaxia activa cercana NGC 1433, fue obtenida con el telescopio espacial Hubble de NASA/ESA. Las estructuras de colores cercanas al centro (destacadas en el recuadro) fueron obtenidas con observaciones recientes de ALMA que han revelado, por primera vez, una forma espiral, así como un inesperado chorro. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. Combes

En PKS 1830-211, Ivan Martí-Vidal (Universidad Chalmers de Tecnología, Observatorio Espacial de Onsala, Onsala, Suecia) y su equipo también han observado y agujero negro supermasivo con un chorro, pero este es mucho más brillante y activo y se encuentra en el Universo temprano [2]. Esto resulta inusual ya que su brillante luz, en su camino hacia la Tierra, topa con una galaxia masiva, dividiéndose en dos imágenes debido a la lente gravitatoria [3].

De vez en cuando, de repente los agujeros negros supermasivos engullen una gran cantidad de masa [4], lo que aumenta la potencia de los chorros y provoca que la radiación aumente a las energías más altas. Ahora, ALMA ha captado, por casualidad, uno de estos eventos en PKS 1830-211.

Esta imagen de ALMA muestra la distribución del gas molecular cercano al agujero negro supermasivo situado en el centro de la galaxia NGC 1433. Al tiempo que han descubierto una estructura espiral, las observaciones de ALMA también han revelado un pequeño e inesperado chorro de material procedente del agujero negro central. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/F. Combes

"Observar con ALMA  este caso de “indigestión” de un agujero negro ha sido totalmente casual. Estábamos observando PKS 1830-211 con otros fines y entonces detectamos sutiles cambios de color e intensidad en las lentes gravitatorias. Tras estudiar con detalle este comportamiento inesperado llegamos a la conclusión de que estábamos observando, por un golpe de suerte, en el momento adecuado, justo cuando nueva materia fresca entraba en la base del chorro del agujero negro", afirma Sebastien Muller, uno de los coautores del segundo artículo.

El equipo también quiso saber si este violento evento fue captado por otros telescopios y se sorprendieron al detectar una clara señal en rayos gamma gracias a las observaciones de  monitorización del satélite Fermi-LAT. El proceso que causó el aumento de radiación en longitudes de onda largas, captadas por ALMA, fue también el responsable del gran aumento de brillo en el chorro, alcanzando las energías más altas que pueden obtenerse en el Universo [5].

Esta imagen de amplio campo muestra el trozo de cielo que rodea a la galaxia NGC 1433. Esta imagen fue creada a partir de fotografías que forman parte del sondeo Digitized Sky Survey 2. La destacada estrella roja a la izquierda de la galaxia es HD 23719, que brilla lo suficiente como para poder distinguirla a simple vista en una noche oscura. Crédito: ESO/Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin

"Es la primera vez que se establece una conexión tan evidente entre los rayos gamma y las ondas de radio submilimétricas partiendo de la observación del chorro de un agujero negro", añade Sebastien Muller.

Las dos nuevas observaciones son solo el inicio de las investigaciones de ALMA en torno a los trabajos relacionados con los chorros de agujeros negros supermasivos, tanto cercanos como distantes. El equipo de Combes ya está estudiando otras galaxias activas cercanas con ALMA, y se espera que el singular objeto PKS 1830-211 sea el centro de muchas otras investigaciones futuras con ALMA y otros telescopios.

"Aún queda mucho por conocer acerca de cómo los agujeros negros pueden crear esos enormes y energéticos chorros de materia y radiación", concluye Ivan Martí-Vidal. “Pero los nuevos resultados, obtenidos incluso antes de que se completara la construcción de ALMA, muestran que es una potente herramienta, única para sondear estos chorros — ¡y los descubrimientos no han hecho más que empezar!".

Esta imagen de amplio campo muestra el trozo de cielo que rodea a la galaxia activa distante PKS 1830-211. Fue creada a partir de fotografías que forman parte del sondeo Digitized Sky Survey 2. Esta parte del cielo, en la constelación de Sagitario (El arquero) está cerca de las regiones centrales de la Vía Láctea y tiene muchas estrellas. La remota galaxia se encuentra en el centro de la imagen, perdida entre estrellas de nuestra propia galaxia, mucho más cercanas. Crédito: ESO/Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin

Notas

[1] Este procesos, denominado retroalimentación (feedback en inglés), puede explicar la misteriosa relación entre la masa de un agujero negro en el centro de una galaxia y la masa del bulbo que lo rodea. El agujero negro acreta gas y crece de forma más activa, pero entonces produce chorros que limpian de gas las regiones circundantes y frenan la formación estelar, parándola.

[2] PKS 1830-211 tiene un desplazamiento al rojo de 2.5, lo cual significa que su luz ha tenido que viajar unos 11 billones de años antes de llegar hasta nosotros. La luz que vemos fue emitida cuando el Universo tenía tan solo un 20% de su edad actual. Haciendo una comparación, la luz de NGC 1433 solo tarda unos 30 millones de años en alcanzar la Tierra, un tiempo muy corto en términos galácticos.

[3] La teoría de la Relatividad General de Einstein predice que los rayos de luz se desviarán al pasar cerca de un objeto masivo como una galaxia. Este efecto se denomina lente gravitatoria y, desde su primera confirmación en 1979, se han descubierto numerosos efectos de lente gravitatoria. La lente puede crear múltiples imágenes además de distorsionar y aumentar las fuentes de luz del fondo.

[4] El material que cae podría ser una estrella o una nube molecular. Este tipo de evento, con una nube cayendo, ya ha sido observado en el centro de la Vía Láctea.

[5] Esta energía se emite como rayos gamma, la longitud de onda más corta y la energía más potente en forma de radiación electromagnética.

Enlace original: ESO.