Utilizando el Telescopio Espacial James
Webb (JWST), un equipo internacional de astrónomos liderado por la Universidad
de Montreal y la investigadora y academica Valeria Olivares de la Universidad
de Santiago de Chile, ha obtenido la imagen más completa hasta la fecha de cómo
un agujero negro supermasivo se alimenta y mantiene su actividad, acercando al
campo a la resolución de un antiguo misterio de la astrofísica.
Los resultados tras estas
observaciones fueron publicados el pasado 14 de julio en The Astrophysical
Journal Letters.
“Prácticamente todas las galaxias grandes
del Universo albergan en su centro un agujero negro supermasivo (SMBH), con
masas de millones o incluso miles de millones de veces la masa del Sol. Cuando
estos agujeros negros capturan activamente material de su entorno, se encienden
como auténticos motores cósmicos, lanzando potentes chorros de energía que
pueden moldear toda la galaxia que los rodea.
Estos procesos pueden frenar la formación de
nuevas estrellas e influir en la manera en que la galaxia evoluciona y crece
con el tiempo”, comentaron los investigadores. Es así, como los astrónomos denominan a estos agujeros
negros activos núcleos galácticos activos.
Y, a pesar de décadas de investigación,
una pregunta fundamental ha desconcertado a los científicos durante años. Si
los chorros de energía producidos por un AGN calientan el gas que lo rodea, en
principio deberían impedir que ese gas se enfríe y caiga hacia el agujero
negro, cortando así su fuente de alimentación. Entonces, ¿cómo logra el agujero
negro seguir acumulando materia y continuar creciendo?
La teoría predominante es que el gas
eventualmente se enfría nuevamente, se condensa en largas y delgadas corrientes
llamadas filamentos, y vuelve a caer hacia el centro de la galaxia. El SMBH
alimenta el proceso que alimenta al SMBH; es un sistema autorregulado. A pesar
de décadas de búsqueda, observar directamente cómo estos filamentos se conectan
realmente con el agujero negro ha resultado muy difícil. Esa conexión, una
especie de eslabón perdido, es exactamente lo que revela este nuevo estudio.
Una espiral se convierte en un disco en
rotación.
El equipo apuntó el telescopio JWST hacia
NGC 4696, la galaxia central del Cúmulo de Centauro, un denso grupo de galaxias
situado a unos 145 millones de años luz de la Tierra y uno de los mejores
laboratorios para estudiar los mecanismos de los AGN.
Imágenes previas obtenidas con el
Telescopio Espacial Hubble (HST) habían revelado una curiosa estructura de
espiral gas en forma de S cerca en las vecindades del agujero negro central de
la galaxia. Sin embargo, Hubble sólo podía capturar una imagen de la ubicación
del gas, pero no de cómo este se estaba moviendo.
Con casi 8 horas de tiempo de observación
utilizando el instrumento NIRSpec del JWST, el equipo produjo mapas detallados
del movimiento del gas en las profundidades de la esfera de influencia del
agujero negro, con una resolución lo suficientemente alta como para distinguir
estructuras de aproximadamente 30 años luz — una fracción diminuta dentro de
una galaxia que se extiende por cientos de miles de años luz.
Estos mapas revelaron que la estructura en
forma de S es en realidad un disco giratorio de gas que rodea al agujero negro
supermasivo, con un tamaño de casi 800 años luz de diámetro, y con material
desplazándose a velocidades de hasta 600 kilómetros por segundo.
Y, de manera crucial, este disco parece
estar físicamente conectado a uno de los grandes filamentos de gas en caída que
se extienden hacia el exterior de la galaxia. Las observaciones mostraron gas
fluyendo a lo largo del filamento, alimentando el disco y, desde este, cayendo
finalmente en el agujero negro supermasivo.
"Lo que el JWST está revelando es que
los agujeros negros podrían ser los recicladores cósmicos definitivos",
afirmó Julie Hlavacek-Larrondo, profesora de la Université de Montréal y autora
principal del estudio.
"Liberan enormes cantidades de
energía que calientan su entorno, pero ese mismo gas puede enfriarse
posteriormente y condensarse en delgados filamentos que vuelven a caer hacia el
interior, alimentando nuevamente al agujero negro. Finalmente estamos
observando este ciclo en acción”, complementó.
Cerrando el ciclo
El estudio ayuda a los astrónomos a
construir una imagen más completa del ciclo de alimentación de un agujero negro
supermasivo. Los chorros producidos por el agujero negro inyectan energía en el
gas que rodea a la galaxia.
Con el tiempo, ese gas se enfría, se
vuelve inestable y colapsa formando largos filamentos, algunos de apenas unos
pocos cientos de años luz de ancho, pero que pueden extenderse por miles de
años luz. Las fuerzas magnéticas disipan el momento angular del gas a medida
que este cae, guiándolo hacia el interior.
El material se acumula en un disco
giratorio alrededor del agujero negro. El disco alimenta al agujero negro. El
agujero negro lanza sus chorros. Y el ciclo comienza de nuevo.
Para comprobar si esta explicación se
sostiene, el equipo también realizó simulaciones computacionales de última
generación del sistema. El comportamiento del gas en las simulaciones coincidió
estrechamente con lo observado por el JWST, proporcionando una sólida evidencia
independiente a favor del escenario propuesto.
Una estructura de disco similar ya había
sido observada anteriormente en otra galaxia, NGC 1275, ubicada en el Cúmulo de
Perseus, utilizando el observatorio Atacama Large Millimeter/submillimeter
Array (ALMA). Estos nuevos resultados en NGC 4696 sugieren que este mecanismo
de reciclaje podría ser común en las galaxias masivas de todo el Universo.
Estos hallazgos han impulsado un
amplio esfuerzo observacional dedicado a la galaxia NGC 4696 y a sistemas
similares, con programas ya aprobados para el JWST y campañas complementarias
que utilizarán instalaciones como el Very Large Telescope (VLT) en Chile, el
Very Long Baseline Array (VLBA) en Nuevo México y el Event Horizon Telescope
(EHT), que obtuvo la primera imagen de un agujero negro en 2019. En conjunto,
estos datos ayudarán a mejorar nuestra comprensión de cómo los agujeros negros
se alimentan a sí mismos y de qué manera regulan el crecimiento y la evolución
de las galaxias a lo largo del Universo. Toda la información está disponible
en https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae81ae.
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