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

Al final de su vida, alrededor del 95% de las estrellas evolucionan a gigantes rojas que se desprenden de su masa a través de lo que se conoce como un viento estelar. Eventualmente, se desvanecen en forma de nebulosas planetarias con un núcleo estelar caliente llamado enana blanca.

Personal investigador de 14 instituciones científicas europeas, entre las que se encuentra el IAC, ha detectado la existencia de una interacción binaria que había pasado inadvertida para la comunidad científica. Esta nueva investigación aporta una explicación alternativa a las altas tasas de pérdida de masa que se suponía regían el final de la vida de las estrellas gigantes más masivas.

El trabajo que publica hoy la revista Nature Astronomy revela que estas estrellas pierden masa a un ritmo mucho menor del que se pensaba. El viento estelar no es más intenso de lo normal, pero se ve afectado por una pareja que, hasta ahora, se había pasado por alto: una segunda estrella que rodea a la gigante roja. Que este proceso sea más lento de lo esperado impacta enormemente en la forma de entender cómo mueren las estrellas. Como consecuencia de este descubrimiento, se desprende que las estrellas gigantes más masivas necesitan más tiempo para depositar sus entrañas químicamente ricas en su entorno, afectando al enriquecimiento del medio interestelar y, por tanto, a la evolución química de la galaxia.

El único observatorio que podía facilitar información detallada del desconcertante superviento en la última fase de la vida de las estrellas gigantes más masivas es ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), instalado en el desierto de Atacama (Chile). “Los datos recogidos mostraban una estructura espiral que confirma que estas estrellas no son individuales, sino que tienen una compañera binaria”, explica Aníbal García Hernández, investigador del IAC y de la ULL y coautor del artículo. Y añade: “La interacción con esa compañera da como resultado una morfología de viento bastante compleja, en forma de espiral incompleta. Los datos anteriores carecían de la resolución espacial y la sensibilidad que proporciona ALMA y no permitían a los astrónomos encontrar las características asociadas con la presencia de una estrella binaria”.

La interpretación de ALMA, dentro de este nuevo contexto, ha mostrado de manera convincente que la última fase evolutiva de estas estrellas viejas no está caracterizada por un corto “superviento extremo”, sino más bien por una fase de “viento normal” mucho más larga. En otras palabras, “las viejas estrellas tardan más en morir”, o también, “las viejas estrellas viven más”.

Ahora, la comunidad científica investiga si la existencia de un sistema binario podría explicar el comportamiento de otras gigantes rojas especiales. "Creíamos que muchas estrellas vivían solas, pero probablemente tendremos que ajustar esta idea”, aclara Leen Decin, autora principal del artículo y profesora de la Universidad Católica de Leuven. Y concluye: “Es probable que una estrella con una pareja sea más común de lo que pensábamos".

Artículo: L. Decin, W. Homan, T. Danilovich, A. de Koter, D. Engels, L. B. F. M. Waters, S. Muller, C. Gielen, D. A. García-Hernández, R. J. Stancliffe, M. Van de Sande, G. Molenberghs, F. Kerschbaum, A. A. Zijlstra and I. El Mellah. 'Reduction of the maximum mass-loss rate of OH/IR stars due to unnoticed binary interaction', Nature Astronomy. DOI: 10.1038/s41550-019-0703-5

A esta serpentina arremolinada, captada por el instrumento VISIR, instalado en el VLT (Very Large Telescope) de ESO, le espera un futuro explosivo, ya que se trata de un sistema de estrellas Wolf-Rayet y una probable fuente de uno de los fenómenos más energéticos del universo: un estallido de rayos gamma de larga duración (GRB).

"Este es el primer sistema de este tipo descubierto en nuestra galaxia", explica Joseph Callingham, del Instituto de Radioastronomía de los Países Bajos (ASTRON), autor principal del estudio que ha dado a conocer este sistema. "No esperábamos encontrar este sistema en nuestro propio vecindario" [1].

El sistema, que comprende un nido de estrellas masivas rodeado por un "remolino" de polvo, se conoce oficialmente como 2XMM J160050.7-514245, una referencia de catálogo poco manejable, por lo que los astrónomos decidieron dar otro apodo a este fascinante objeto: "Apep".

Apep obtiene su apodo por su forma sinuosa, que recuerdan a una serpiente enrollada alrededor de la estrella central. Su nombre es el de una antigua deidad egipcia, una serpiente gigantesca que encarna el caos (lo cual encaja en un sistema tan violento). Se creía que Ra, el Dios Sol, luchaba con Apep cada noche; la oración y adoración aseguraban la victoria de Ra y el regreso del sol.

Los GRB son unas de las explosiones más poderosas del universo. Duran entre unas pocas milésimas de segundo y unas pocas horas, y pueden liberar tanta energía como la que producirá el Sol durante toda su vida. Se cree que los GRB de larga duración, los que duran más de 2 segundos, pueden ser causados por explosiones de supernova o por estrellas Wolf-Rayet de rotación rápida.

Hacia el final de sus vidas, algunas de las estrellas más masivas evolucionan a estrellas Wolf-Rayet. Esta fase es de corta duración, y las Wolf-Rayets sobreviven en este estado durante apenas unos cientos de miles de años (un abrir y cerrar de ojos en términos cosmológicos). En ese momento, lanzan enormes cantidades de material en forma de un poderoso viento estelar, expulsando materia hacia el exterior a millones de kilómetros por hora; se han medido los vientos de estelares de Apep y viajan a la asombrosa velocidad de 12 millones de kilómetros por hora.

Estos vientos estelares han creado los elaborados penachos que rodean al sistema estelar triple, que consiste en una estrella binaria y una compañera solitaria unidas por gravedad. Aunque en la imagen solo se aprecian dos objetos parecidos a estrellas, el objeto de abajo es, de hecho, una estrella binaria Wolf-Rayet no resuelta. Esta binaria es la responsable de esculpir las serpentinas en remolino que rodean a Apep, que se forman a raíz de la colisión de los vientos estelares de las dos estrellas Wolf-Rayet.

En comparación con la extraordinaria velocidad de los vientos de Apep, el propio remolino de polvo que las rodea gira a un ritmo “pausado”, serpenteando a menos de 2 millones de kilómetros por hora. Se cree que la salvaje discrepancia entre la velocidad de los vientos estelares rápidos de Apep y el tranquilo remolino de polvo es la consecuencia de la acción de una de las estrellas del sistema binario, que lanzaría tanto un viento rápido como uno lento en diferentes direcciones.

Esto implicaría que la estrella se encuentra en rotación casi crítica, es decir, gira tan rápidamente que casi se está autodestruyendo. Se cree que una estrella Wolf-Rayet con una rotación tan rápida puede producir un GRB de larga duración cuando su núcleo colapsa al final de su vida. 

El instrumento VISIR, del VLT de ESO, ha captado esta impresionante imagen de un sistema estelar binario masivo recién descubierto. Apodado Apep por una antigua deidad egipcia, puede tratarse de la primera detección de una fuente de estallidos de rayos gamma en nuestra galaxia.


Crédito: ESO.


Notas

[1] Callingham, actualmente en el Instituto de Radioastronomía de los Países Bajos (ASTRON), llevó a cabo parte de esta investigación en la Universidad de Sydney mientras trabajaba con el jefe del equipo de investigación Peter Tuthill. Además de observaciones con los telescopios de ESO, el equipo también usó el telescopio anglo-australiano en el Observatorio de Siding Spring, Australia.

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

Hasta hace poco, la única forma que teníamos para conocer detalles y características del Universo y los objetos que contiene era la luz. O mejor dicho, las ondas electromagnéticas, de las que la luz forma parte, junto a otras longitudes de onda no visibles por el ojo humano como los infrarrojos, el ultravioleta o los rayos X o Gamma.

Gracias a instrumentos como los modernos espectrómetros, los científicos han sido capaces de «descomponer» los rayos de luz en los colores que contienen. Y resulta que cada color concreto constituye la «firma» única, o la huella digital, de un elemento de la tabla periódica. De esta forma, los astrónomos han conseguido hasta ahora saber de qué elementos está hecha una estrella o galaxia lejana. Y por el «corrimiento» de la luz hacia los extremos rojo o violeta del espectro han podido, además, averiguar si el objeto observado se acercaba o se alejaba de nosotros, y a qué velocidad.

Sin embargo, la luz en sus múltiples formas no es el único vínculo físico que nos une a las estrellas, y una «fuente» de radiación luminosa es capaz, al mismo tiempo, de emitir otros tipos de «mensajeros» además de los consabidos fotones de luz. Lo malo es que hasta ahora no habíamos sido capaces de interpretar a esos otros «mensajeros».

En febrero de 2016, la historia de la astronomía cambió para siempre con el anuncio de la primera detección confirmada de ondas gravitacionales, pequeñas ondulaciones en el tejido espaciotemporal que conforma el Universo y que son capaces de transportar todo un tesoro de información (ajena a la luz) sobre el objeto que las emite. Por primera vez, la ciencia conseguía datos concretos de un evento cósmico (la fusión de dos agujeros negros en otro mayor), sin necesidad de recurrir a las ondas electromagnéticas.


Poco tiempo después, en octubre de 2017, se produjo otro hito de la máxima importancia: la detección de un «choque» entre dos estrellas de neutrones. El evento, por primera vez en la historia de la Astronomía, se estudió observando tanto las ondas gravitacionales como las ondas electromagnéticas (luz visible y rayos gamma) producidas por el titánico encuentro. Setenta telescopios de siete países diferentes ayudaron a tener una imagen completa del extraordinario suceso. Había nacido oficialmente lo que ha dado en llamarse «astronomía multimensajero».

En cierto modo, la situación podría compararse a la de un invidente, acostumbrado a percibir el mundo a través de sus oídos, que se despertara una mañana con la capacidad de ver. 

Un blazar cazado

Hoy, la detección de la primera fuente de rayos cósmicos puede considerarse como un nuevo éxito de esta nueva clase de astronomía. El blazar responsable de la emisión de rayos cósmicos, en efecto, fue "cazado" gracias a la captura de uno de los neutrinos que emite junto a los rayos cósmicos, cuya procedencia resulta indetectable. Y la fuente fue confirmada minutos más tarde gracias a la detección de un estallido de rayos gamma (ondas electromagnéticas) procedente del mismo punto del cielo que el neutrino. Es decir, para este estudio se utilizó otro tipo de "mensajero", el neutrino, en combinación con las ondas electromagnéticas. Los astrónomos llevaban desde 1912 tratando de averiguar de dónde proceden los rayos cósmicos que bombardean continuamente la Tierra.

Los distintos "mensajeros" conocidos capaces de traernos información de objetos lejanos son, pues, las ondas electromagnéticas, las ondas gravitacionales, los neutrinos y los rayos cósmicos. Se trata de tipos de emisiones muy diferentes entre sí, pero que pueden proceder de una misma fuente astrofísica. Por eso, el estudio combinado de todos ellos, o de los que sea posible para cada objeto o evento concreto que quiera estudiarse, nos brindarán la visión más rica y detallada conseguida hasta ahora.

Pensémoslo bien. Si solo estudiando la luz de las estrellas hemos conseguido llegar hasta aquí, ¿qué no seremos capaces de hacer a partir ahora con todas estas nuevas fuentes de información?

En esta representación artística, se muestra un poderoso blazar como origen del neutrino IceCube IC170922 - IceCube Collaboration/Google Earth: PGC/NASA U.S. Geological Survy Data SIO,NOAA, U.S. Navy, NGA, GEBCO Landsat/Copernicus

Un nuevo estudio basado en datos del telescopio espacial NuSTAR de la NASA sugiere que Eta Carinae, un sistema estelar muy luminoso y masivo, situado a 7.500 años-luz de distancia, está acelerando partículas hasta dotarlas de altas energías. Algunos de estos chorros de partículas (rayos cósmicos) podrían alcanzar la Tierra.

 Eta Carinae brilla en rayos X en esta imagen del observatorio Chandra de rayos X de la NASA. Los colores indican diferentes energías. El rojo va de 300 a 1.000 electronvoltios (eV), el verde de 1.000 a 3.000 eV y el azul de 3.000 a 10.000 eV. Las observaciones del NuSTAR (contornos en verde) revelan una fuente de rayos X con energías unas tres veces más altas que lo que detecta el Chandra. (Foto: NASA/CXC, NASA/JPL-Caltech)

Se sabe que los rayos cósmicos con energías superiores a 1.000 millones de electronvoltios (eV) nos llegan desde fuera de nuestro sistema solar. Pero dado que estas partículas (electrones, protones y núcleos atómicos) transportan todas una carga eléctrica, se desvían cada vez que encuentran campos magnéticos. Esto dificulta muchísimo averiguar sus trayectorias originales y enmascara sus orígenes.

Eta Carinae, situada en la constelación de Carina, es famosa por una erupción ocurrida en el siglo XIX que brevemente la convirtió en la segunda estrella más brillante en el cielo. Este suceso también eyectó materia que formó una masiva nebulosa con aspecto de reloj de arena, pero la causa de la erupción sigue estando poco clara.

El sistema contiene una pareja de estrellas masivas cuyas órbitas excéntricas las acerca mucho cada 5,5 años. Las estrellas contienen 90 y 30 veces la masa de nuestro Sol y se acercan a 225 millones de kilómetros en su máxima aproximación, más o menos la distancia media que separa Marte del Sol.

Las dos estrellas de Eta Carinae emiten potentes flujos de materia (vientos estelares). El lugar en el que estos vientos chocan cambia durante el ciclo orbital, lo que produce una señal periódica de rayos X de baja energía.

El Telescopio Espacial Fermi de rayos gamma de la NASA también observó un cambio en la emisión de rayos gamma (radiación más energética que los rayos X) desde una fuente en la dirección de Eta Carinae. Pero los "ojos" del Fermi no tienen tanta agudeza visual como los de los telescopios de rayos X, de modo que los astrónomos no pudieron confirmar la conexión. A fin de verificar dicha conexión, el equipo de Kenji Hamaguchi y Michael Corcoran, del Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA, en Greenbelt, Maryland, Estados Unidos, recurrió al NuSTAR, un satélite astronómico de la NASA en colaboración con entidades de Estados Unidos, Dinamarca e Italia.

Lanzado en 2012, el NuSTAR puede trabajar con rayos X mucho más energéticos que los asequibles para cualquier otro telescopio anterior. El equipo de investigación examinó las observaciones del NuSTAR obtenidas entre marzo de 2014 y junio de 2016, junto con observaciones de rayos X de menor energía del satélite XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea a lo largo del mismo periodo.

Los rayos X de baja energía, o blandos, de Eta Carinae proceden del gas en el punto de contacto de los vientos estelares en colisión, donde las temperaturas superan los 40 millones de grados centígrados. Pero el NuSTAR detecta una fuente que emite rayos X por encima de los 30.000 electronvoltios (eV), unas tres veces más que lo conseguible mediante las ondas de choque en la zona donde los vientos colisionan. Como comparación, la energía de la luz visible oscila entre 2 y 3 eV.

El análisis del equipo muestra que estos rayos X "duros" varían con el periodo orbital de la binaria y que presentan un patrón de producción de energía similar al de los rayos gamma observados por el Fermi.

Los investigadores creen que la mejor explicación tanto para los rayos X duros como para la emisión de rayos gamma es que los electrones son acelerados en violentas ondas de choque a lo largo de la frontera en la que chocan ambos vientos estelares.

Sin duda, algunos de los electrones superrápidos, así como otras partículas aceleradas, escapan del sistema y quizá algunos en su caótica travesía acaban alcanzando la Tierra, donde podrían ser detectados como rayos cósmicos.