El blog de Antares

Los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el centro de muchas galaxias parecen tener una influencia fundamental en la evolución de las mismas. Esto ocurre durante una fase en la que el agujero negro está consumiendo material de la galaxia donde reside a un ritmo muy elevado, haciéndose cada vez más pesado. Durante esta fase se dice que la galaxia contiene un núcleo activo (o AGN, por sus siglas en inglés).

El efecto que esa actividad nuclear tiene en la galaxia anfitriona es lo que se conoce como retroalimentación del AGN, y una de sus manifestaciones son los vientos: se trata de gas del centro de la galaxia que está siendo empujado hacia fuera por la energía que libera el núcleo activo. Estos vientos pueden alcanzar velocidades de hasta miles de km/s y en el caso de los AGN más enérgeticos, como son por ejemplo los cuásares, pueden llegar a "vaciar" de gas el centro de las galaxias, impidiendo así la formación de nuevas estrellas. Se ha demostrado que la evolución de la formación estelar a nivel cosmológico no se puede explicar sin la existencia de un mecanismo que la regule.

Para el estudio de estos vientos en cuásares se ha utilizado el instrumento EMIR instalado en el Gran Telescopio de Canarias (GTC). EMIR es un instrumento desarrollado íntegramente en el Instituto de Astrofísica de Canarias, que estudia los objetos más fríos y distantes del Universo analizando la luz infrarroja. Desde junio de 2016 se encuentra acoplado al telescopio GTC, después de haber pasado por una exhaustiva fase de pruebas en los talleres del Área de Instrumentación de la sede central del IAC en La Laguna.

Los datos que ha recogido desde entonces han servido para producir varios artículos científicos, el último de los cuales es un estudio sobre el cuásar oscurecido J1509+0434, publicado hoy en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters y elaborado por un equipo internacional que lidera la investigadora del IAC, Cristina Ramos Almeida. Este cuásar se encuentra en el Universo Local, y es un análogo de los cuásares más distantes (mucho más numerosos) en los cuales la retroalimentación del AGN debía estar afectando de forma drástica a la formación de nuevas estrellas.

"EMIR nos ha permitido estudiar los vientos de gas ionizado y molecular de este cuásar haciendo uso del rango infrarrojo. Este análisis es muy importante porque no siempre presentan las mismas propiedades, lo cual nos dice mucho sobre cómo se producen esos vientos y cómo afectan a sus galaxias anfitrionas”, explica Ramos Almeida. El estudio de este y otros cuásares locales nos permitirá entender qué les estaba pasando a las galaxias cuando eran más jóvenes y estaban aún formando las estructuras que vemos hoy en día.

Basándose en los nuevos datos obtenidos con EMIR, el equipo ha descubierto que el viento ionizado es más rápido que el molecular, llegando a alcanzar velocidades de hasta 1.200 km/s. Sin embargo, sería el viento molecular el que estaría vaciando las reservas de gas de la galaxia (hasta 176 masas solares por año). “Nuevas observaciones obtenidas con ALMA nos permitirán confirmar esta estimación”, señala José Acosta Pulido, investigador del IAC y coautor del trabajo.

El siguiente paso es observar una muestra completa de cuásares oscurecidos cercanos con EMIR para caracterizar sus vientos ionizados y moleculares. También queremos investigar las poblaciones de las galaxias anfitrionas, con el objetivo de ver si los vientos más extremos son los que han afectado más significativamente a las estrellas de sus galaxias anfitrionas. Esto nos permitiría confirmar de manera directa el efecto de la retroalimentación del AGN sobre la evolución de las galaxias.

• Artículo: C. Ramos Almeida, J. A. Acosta-Pulido, C. N. Tadhunter, C. González-Fernández, C. Cicone, M. Fernández-Torreiro. A near-infrared study of the multi-phase outflow in the type-2 quasar J1509+0434. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, slz072, https://doi.org/10.1093/mnrasl/slz072

IAC

A tan solo mil millones de años luz, en el cercano cúmulo de galaxias conocido como Abell 2597, hay una gigantesca fuente galáctica. En el corazón de una galaxia distante se ha observado un agujero negro masivo bombeando un gran chorro de gas molecular frío hacia el espacio, que luego vuelve a caer sobre el agujero negro cual diluvio intergaláctico. La entrada y salida de materia de tamaña fuente cósmica nunca habían sido observadas juntas, y tienen su origen en el interior de la galaxia más brillante del cúmulo Abell 2597, a 100.000 años-luz.

"Posiblemente, este sea el primer sistema en el cual encontramos evidencias claras de ambos flujos de gas molecular: el frío que va hacia el agujero negro y el que sale o se eleva desde los chorros que lanza el agujero negro", explica Grant Tremblay, investigador del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian y antiguo becario de ESO, que dirigió este estudio. "El agujero negro supermasivo del centro de esta galaxia gigante actúa como una bomba mecánica en una fuente".

Tremblay y su equipo utilizaron ALMA para rastrear la posición y el movimiento de las moléculas de monóxido de carbono dentro de la nebulosa. Se descubrió que estas moléculas frías, con temperaturas tan bajas como 250–260° C bajo cero, caían hacia el agujero negro. El equipo también utilizó datos de MUSE, un instrumento del VLT (Very Large Telescope) de ESO, para estudiar el gas más caliente, lanzado fuera del agujero negro en forma de chorros.

"Aquí lo destacado es el análisis acoplado, muy detallado, de la fuente, utilizando datos de ALMA y MUSE", explica Tremblay. "Las dos instalaciones combinadas ofrecen un resultado increíblemente potente".

Unidos, estos dos conjuntos de datos forman una imagen completa del proceso; el gas frío cae hacia el agujero negro, encendiendo el agujero negro y provocando que este lance chorros rápidos de plasma incandescente hacia el vacío. Luego, estos chorros emergen del agujero negro formando una espectacular fuente galáctica. Sin esperanza de escapar de las garras gravitatorias de la galaxia, el plasma se enfría, se ralentiza y, finalmente, cae de nuevo hacia el agujero negro en forma de lluvia, donde el ciclo vuelve a empezar.

Esta observación sin precedentes podría arrojar luz sobre el ciclo de vida de las galaxias. El equipo especula que este proceso puede ser no sólo común, sino también esencial para comprender la formación de la galaxia. Aunque ya se habían detectado previamente tanto la entrada como la salida de gas molecular frío, esta es la primera vez que ambos fenómenos se han detectado dentro de un mismo sistema, y por lo tanto la primera evidencia de que forman parte del mismo gran proceso.

Abell 2597 se encuentra en la constelación de Acuario y se llama así por estar incluido en el Catálogo Abell de ricos cúmulos de galaxias. El catálogo también incluye cúmulos como el cúmulo de Fornax, el cúmulo de Hércules, o el cúmulo de Pandora.

El instrumento GRAVITY de ESO instalado en el interferómetro del Very Large Telescope (VLT) lo han usado científicos de un consorcio de instituciones europeas, incluyendo a ESO [1], para observar destellos de radiación infrarroja provenientes del disco de acreción alrededor de Sagitario A*, el objeto masivo en el corazón de la Vía Láctea. Los destellos observados entregan la confirmación esperada por tanto tiempo de que el objeto en el centro de nuestra galaxia es, como se ha asumido por largo tiempo, un agujero negro supermasivo. Los destellos se originan del material que orbita muy cerca del horizonte de sucesos del agujero negro, haciendo de éstas las observaciones más detalladas que existen de material orbitando tan cerca de un agujero negro.

Mientras parte del material en el disco de acreción — el cinturón de gas que orbita Sagitario A* a velocidades relativistas [2] — puede orbitar el agujero negro de forma segura, cualquier cosa que se acerque demasiado está destinada a ser atraída más allá del horizonte de sucesos. El punto más cercano a un agujero negro que puede orbitar ese material sin ser inevitablemente atraído hacia dentro por la inmensa masa se conoce como la órbita estable más cercana, y es desde aquí que se originan los destellos observados.

"Es alucinante ver efectivamente material orbitando un agujero negro masivo a un 30% de la velocidad de la luz”, dijo maravillado Oliver Pfuhl, científico en el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE). “La gran sensibilidad de GRAVITY nos ha permitido observar los procesos de acreción en tiempo real con un nivel de detalle sin precedentes”.

Estas mediciones sólo fueron posibles gracias a la colaboración internacional y a instrumentos dotados de la tecnología más avanzada [3]. El instrumento GRAVITY que hizo posible este trabajo combina la luz de cuatro telescopios del VLT de ESO para crear un súper telescopio virtual de 130 metros de diámetro, y ya ha sido usado para explorar la naturaleza de Sagitario A*.

A principios de este año, GRAVITY y SINFONI, otro instrumento del VLT, le permitieron al mismo equipo medir con exactitud el sobrevuelo cercano de la estrella S2 a medida que pasaba por el intenso campo gravitatorio que hay cerca de Sagitario A*, y por primera vez esto reveló los efectos previstos por la relatividad general de Einstein en un ambiente así de extremo. Durante el sobrevuelo cercano de S2, se observó también una fuerte emisión infrarroja.

"Monitoreamos de cerca S2, y por supuesto siempre supervisamos Sagitario A*”, explicó Pfuhl. “Durante nuestras observaciones, tuvimos la suerte de apreciar tres destellos brillantes alrededor del agujero negro, ¡lo que fue una afortunada coincidencia!”.

Esta emisión, proveniente de electrones altamente energéticos muy cercanos al agujero negro, fue observada como tres prominentes destellos brillantes, y coincide exactamente con las predicciones teóricas sobre zonas calientes orbitando cerca de un agujero negro con una masa de cuatro millones de veces la del Sol [4]. Se cree que los destellos se originan a partir de interacciones magnéticas en el gas muy caliente que orbita muy cerca de Sagitario A*.

Reinhard Genzel, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE) en Garching, Alemania, quien dirigió el estudio, explicó: “Este siempre fue uno de nuestros proyectos soñados, pero nunca pensamos que pudiese hacerse realidad tan pronto”. Refiriéndose a la antigua suposición de que Sagitario A* es un agujero negro supermasivo, Genzel concluyó que “el resultado es una rotunda confirmación del paradigma sobre el agujero negro masivo”. 

Notas

El observatorio XMM-Newton de la ESA ha descubierto el candidato más prometedor a un tipo de fenómeno cósmico muy poco común y esquivo: un agujero negro de masa intermedia en trance de desgarrar y devorar una estrella cercana.

El Universo alberga distintos tipos de agujeros negros: las estrellas masivas generan agujeros negros de masa estelar cuando mueren, mientras que las galaxias tienen en su centro agujeros negros supermasivos, con masas equivalentes a millones e incluso miles de millones de soles.

Entre ambos extremos encontramos un miembro discreto de la familia de los agujeros negros: los agujeros negros de masa intermedia, considerados el germen de futuros agujeros negros supermasivos. Resultan especialmente esquivos, por lo que solo se han llegado a detectar muy pocos candidatos firmes.

Ahora, un equipo de investigadores ha encontrado un signo de actividad claro gracias a datos del observatorio espacial de rayos X XMM-Newton de la ESA, así como del observatorio de rayos X Chandra y el telescopio de rayos X Swift de la NASA. Estos detectaron una enorme emisión de radiación en los márgenes de una galaxia distante, generada cuando una estrella pasó demasiado cerca de un agujero negro y este la devoró.

“Es realmente emocionante: hasta ahora no se había visto un agujero negro de este tipo”, afirma el investigador principal, Dacheng Lin, de la Universidad de New Hampshire (Estados Unidos).

“Aunque se han llegado a descubrir algunos, en general se trata de un fenómeno muy poco común y muy buscado. Este es el mejor candidato a agujero negro de masa intermedia observado hasta la fecha”.

Se cree que este tipo de agujero se puede formar por varias vías. Un escenario de formación sería la rápida fusión de estrellas masivas situadas en cúmulos estelares densos, por lo que los centros de dichos cúmulos serían los lugares más adecuados para buscarlas. No obstante, para cuando estos agujeros negros se han formado, apenas queda gas, por lo que los agujeros negros no tienen materia que consumir y, por lo tanto, la radiación que emiten es muy tenue, lo que a su vez hace que sean muy difíciles de detectar.

“Uno de los pocos métodos que podemos utilizar para localizar un agujero negro de masa intermedia es esperar a que una estrella pase cerca y sufra una perturbación; de esta forma, se vuelve a ‘despertar el apetito’ del agujero negro y emite una fulguración como la que hemos observado”, añade Lin.

“Hasta ahora, este tipo de evento solo se ha visto claramente en el centro de una galaxia, no en sus márgenes”.

Lin y sus colegas cribaron datos de XMM-Newton para encontrar el candidato. Lo identificaron en observaciones de una gran galaxia a unos 740 millones de años luz, realizadas entre 2006 y 2009 como parte de un estudio de galaxias, y en datos adicionales de Chandra (2006 y 2016) y Swift (2014).

“También miramos imágenes de la galaxia tomadas por otros telescopios para ver cuál era el aspecto óptico de la emisión”, explica Jay Strader, de la Universidad Estatal de Michigan (Estados Unidos) y coautor del estudio.

“Detectamos el brillo provocado por el destello de la fuente en dos imágenes de 2005: era mucho más azul y brillante de lo que se veía tan solo unos años antes. Al comparar todos los datos, determinamos que la pobre estrella debió de sufrir una perturbación en octubre de 2003 en nuestro tiempo, y emitió una explosión de energía que fue decayendo a lo largo de la siguiente década”.

Los científicos creen que la estrella fue desgarrada por un agujero negro con una masa cincuenta mil veces mayor que la de nuestro Sol.

Estas emisiones procedentes de estrellas no suelen provenir de este tipo de agujeros negros, por lo que este descubrimiento sugiere que podría haber más en estado inactivo, escondidas en la periferia de las galaxias por todo el Universo local.

“Este candidato se descubrió gracias a un estudio exhaustivo del catálogo de fuentes de rayos X de XMM-Newton que, repleto de datos de alta calidad que abarcan grandes áreas del firmamento, resultó esencial para determinar el tamaño del agujero negro e identificar qué provocó la emisión de radiación”, apunta Norbert Schartel, científico de la ESA para el proyecto XMM-Newton.

“El catálogo de fuentes de rayos X de XMM-Newton, con más de medio millón de fuentes, es hoy en día el mayor de su clase: objetos exóticos como el identificado en nuestro estudio permanecen ocultos y a la espera de su descubrimiento mediante una exhaustiva minería de datos”, añade la coautora Natalie Webb, directora del Centro Científico para el Estudio de XMM-Newton en el Instituto de Investigación de Astrofísica y Planetología (IRAP) de Toulouse (Francia).

“Saber más sobre estos objetos y sus fenómenos asociados es clave para que entendamos los agujeros negros. En la actualidad, nuestros modelos podrían parecerse a un escenario en el que una civilización alienígena observa la Tierra y ve a los abuelos que llevan a sus nietos a la guardería: asumirían que falta algo en su modelo de la vida humana, pero sin observar ese eslabón intermedio no podrían estar seguros de ello. Este hallazgo es sumamente importante y muestra que el método utilizado para el descubrimiento es correcto”, concluye Norbert.

En noviembre de 2017, los núcleos extremadamente densos de dos estrellas muertas se fusionaron en una colisión cósmica nunca antes observada por los científicos. El evento fue, de hecho, la primera observación directa del choque de dos estrellas de neutrones, auténticos "cadáveres estelares" que se forman cuando las grandes estrellas envejecidas explotan, dejando tras de sí un núcleo de material (en su mayoría neutrones) ultracompacto.

Durante la colisión, las dos estrellas muertas "fabricaron" y lanzaron al espacio enormes cantidades de oro, plata, platino y otros elementos pesados de la tabla periódica que no se forman, como los más ligeros, en los hornos nucleares de las estrellas. Hasta ese momento, nadie había visto antes uno de los lugares donde se fabrican todos los materiales preciosos del Universo. Los investigadores calcularon que, inmediatamente después de la colisión, se lanzó al espacio una cantidad de oro equivalente a diez veces la masa de la Tierra.

Y ahora, el físico David Pooley, al frente de un equipo de investigadores de la Trinity University en San Antonio, cree que como consecuencia de aquella colisión se formó un agujero negro. Uno, además, que sería el más pequeño de todos los detectados hasta ahora. El trabajo acaba de publicarse en Astrophysical Journal Letters.

Desde el momento de la colisión, los astrónomos se han estado preguntando qué fue de las dos estrellas de neutrones después de su fusión. Sabían que el cuerpo resultante era una especie de "amalgama estelar" con una masa de cerca 2,7 veces la del Sol, pero no sabían si lo que se había formado era, simplemente, una estrella de neutrones más grande, o el agujero negro más pequeño de cuantos han sido descubiertos hasta ahora. La masa del anterior poseedor del récord rondaba las cuatro masas solares.

Para salir de dudas, Pooley y sus colegas analizaron los datos recogidos por el telescopio espacial de rayos X Chandra, de la NASA, varios meses después de que el detector de ondas gravitacionales LIGO identificara la colisión. Si las dos estrellas de neutrones se habían unido para formar una estrella muerta más grande y masiva, los científicos esperaban que la nueva estrella de neutrones estuviera rodeada por una brillante capa de partículas de alta energía, algo similar a lo que se puede ver al observar la Nebulosa del Cangrejo, pero mucho más brillante.

Pero los rayos X procedentes del lugar de la fusión resultaron ser demasiado débiles para coincidir con esa explicación, lo que llevó al equipo a concluir que la colisión, efectivamente, había dado lugar a un agujero negro.

Nuevas observaciones del brillo de los rayos X del objeto formado tras la fusión ayudarán a confirmar o desmentir definitivamente la existencia de ese nuevo agujero negro, el primero a cuyo nacimiento ha podido asistir el hombre.



ABC

Normalmente, encontraremos un agujero negro supermasivo en el núcleo de una galaxia con gran masa. Pero a veces los agujeros negros supermasivos pueden "vagar" por su galaxia anfitriona, permaneciendo lejos del centro, en regiones como el halo estelar, un área casi esférica de estrellas y gas que rodea la sección principal de la galaxia.

Los astrónomos teorizan que este fenómeno sucede a menudo como resultado de fusiones entre galaxias. Una galaxia más pequeña se unirá a otra mayor y principal, depositando su propio agujero negro supermasivo central en una amplia órbita dentro del nuevo anfitrión.

 En un nuevo estudio, unos investigadores de la Universidad Yale en Estados Unidos, la de Washington en el mismo país, el Instituto de Astrofísica de París en Francia y el University College de Londres en el Reino Unido, utilizaron un nuevo programa para simulaciones cosmológicas de vanguardia, llamado Romulus, a fin de predecir la dinámica de los agujeros negros supermasivos dentro de las galaxias con una mayor precisión que la conseguida por los anteriores programas de simulación.

 Los resultados de las simulaciones analizadas por el equipo de Michael Tremmel, de la Universidad Yale, indican que las galaxias con una masa similar a la de la Vía Láctea deberían albergar varios agujeros negros supermasivos. El agujero negro supermasivo situado en el centro de nuestra galaxia debe por tanto tener "hermanos", aún no identificados y seguramente de masa mucho menor, en otros puntos de la Vía Láctea.

Es una rara ocasión para la Ciencia. Un fenómeno que se ha podido observar apenas un puñado de veces en toda la historia de la Astronomía. Se trata de una estrella en el momento de ser devorada por un agujero negro. Un astro parecido al Sol literalmente destrozado por la inmensa fuerza gravitatoria de un "monstruo" espacial en una lejana galaxia, a cerca de mil millones de años luz de la Tierra.

Como se sabe, en el centro de prácticamente todas las grandes galaxias habita un agujero negro supermasivo, una zona de enorme densidad, que puede llegar a tener miles de millones de veces la masa del Sol y de cuya gravedad nada, ni siquiera la luz, consigue escapar.

Si una estrella tiene la desgracia de acercarse demasiado a uno de estos agujeros negros, el "tirón" gravitatorio será mucho más fuerte en la cara más cercana a él, de forma que la estrella se alargará y estirará como una goma, hasta que quede completamente destrozada en lo que los científicos llaman un "evento de disrupción de marea", TDE por sus siglas en inglés.


Justo después, el agujero negro empieza a tragarse grandes fragmentos de la estrella triturada. En el proceso, cada uno de ellos libera suficiente energía como para generar brillantes destellos que pueden llegar a durar meses, incluso años enteros.

Los agujeros negros, sin embargo, no tienen demasiadas ocasiones de darse un festín como este. De hecho, y a pesar de que la densidad de estrellas es mayor en los centros galácticos, en una galaxia típica algo así puede ocurrir, como máximo, una vez cada diez mil años.

Y ahora, un equipo de astrónomos liderados por Ben Shappee, de la Universidad de Hawaii, creen que están siendo testigos de este inusual y violento proceso. Y así lo han anunciado hace apenas unos días en The Astronomer´s Telegram, un sitio web donde se suelen publicar muchas observaciones de fenómenos cósmicos.

A primera vista, una estrella siendo devorada por un agujero negro puede parecer una supernova, dado que ambas producen súbitos y brillantes destellos luminosos en el cielo. Por eso, cuando los investigadores detectan un posible TDE, lo primero que hacen es tomar la mayor cantidad de datos posible para determinar con la mayor exactitud el tipo de fenómeno que están observando.

En el centro de la galaxia

En este caso, se dan una serie de factores que llevan a los investigadores a pensar que, efectivamente, se trata de uno de esos raros episodios de "alimentación" de un agujero negro. En primer lugar, el evento parece estar sucediendo en el centro mismo de la galaxia, un requisito imprescindible para una disrupción de marea. Además, su luz es muy azul, lo cual significa que es extremadamente caliente, al contrario de las supernovas, que tienden a enfriarse en breve tiempo a medida que se expanden. Por último, no hay rastro de los elementos pesados que suelen absorber una parte de la luz emitida por una supernova.

Shappee, sin embargo, cree que aún cabe la posibilidad de que se trate de una supernova, y no de un TDE. Por eso, continúan observando y recopilando datos. En estos momentos, el evento está llegando a su máximo brillo, por lo que queda aún suficiente tiempo para seguir recopilando pruebas. Algunas tipos raros de supernova, en efecto, han demostrado ser capaces de producir señales similares a las detectadas. Por suerte, la confirmación final no tardará mucho en llegar.