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

Un gigantesco frente frío en el cúmulo galáctico de Perseo ha sido el objetivo de un trío de telescopios de rayos X.

Este antiguo frente frío se puede apreciar a la izquierda de la imagen, mientras se aleja del frente más joven y mucho más cercano al centro. Los frentes fríos galácticos tienen poco que ver con los frentes fríos que experimentamos en la Tierra, ya que se deben a la colisión entre cúmulos de galaxias. La atracción gravitacional de un cúmulo mayor arrastra hacia sí a un cúmulo menor, lo que hace que el gas en su núcleo “chapotee” como si fuera el líquido de un vaso. Esto provoca un frente frío con un patrón en espiral que se va alejando del núcleo, y estos frentes fríos permiten estudiar el medio intercumular.

Los frentes fríos son las estructuras coherentes más antiguas en cúmulos de núcleos fríos, y este se aleja del centro cumular desde hace más de cinco mil millones de años, más tiempo de lo que lleva existiendo nuestro Sistema Solar. La larga estructura curvada se extiende alrededor de dos millones de años luz y viaja a unos cincuenta kilómetros por segundo.

La imagen combina datos del observatorio de rayos X Chandra de la NASA, el observatorio XMM-Newton de la ESA y el satélite ROSAT dirigido por el centro aeroespacial alemán. Chandra también capturó un primer plano de la sección superior izquierda del frente frío, lo que reveló detalles inesperados.

El cúmulo de Perseo contiene miles de galaxias y un agujero negro supermasivo en el centro. Este último es responsable de crear un entorno adverso de ondas sonoras y turbulencias que deberían erosionar cualquier frente frío con el tiempo, suavizando sus límites antes nítidos y provocando cambios graduales en la densidad y la temperatura. No obstante, la imagen de alta resolución de Chandra mostró un borde sorprendentemente definido en el frente frío, y un mapa de temperatura reveló que la parte superior izquierda del frente frío está dividida en dos.

La nitidez de este frente frío sugiere que se ha preservado gracias a los fuertes campos magnéticos que lo envuelven y que, esencialmente, funcionan como un escudo gigante contra el entorno hostil. Esta “envoltura” magnética evita que el frente frío se difumine y le ha permitido sobrevivir más de cinco mil millones de años, mientras se aleja del centro del cúmulo.

Desde que el universo se creó en una colosal "explosión" hace 13.800 millones de años, ha estado expandiéndose, arrastrando con él a las galaxias, de una manera muy parecida a lo que ocurre con las pasas de una masa para bizcocho cuando aumenta de volumen.

Ilustración de los últimos momentos previos a una colisión entre una estrella de neutrones y un agujero negro, con la primera siendo destruida por el tirón de marea del segundo (en el centro del disco). Una colisión de estas características culmina con la fusión entre ambos objetos. (Imagen: A. Tonita, L. Rezzolla, F. Pannarale)

La comunidad astronómica lleva tiempo observando ciertas estrellas y otras fuentes cósmicas de mucha luz para medir su distancia respecto a la Tierra y la velocidad con la que se alejan de nosotros, dos parámetros que son esenciales para estimar la constante de Hubble, una unidad de medida que describe el ritmo con el que se está expandiendo el universo.

Pero, hasta la fecha, las iniciativas más precisas han acabado con valores muy diferentes de la constante de Hubble, lo que impide saber con suficiente certeza la velocidad con la que está expandiéndose el universo. Esta información, según creen los astrónomos, podría aclarar cuestiones clave sobre los orígenes de este último, así como su destino, incluyendo si el cosmos se expandirá indefinidamente o acabará por contraerse hasta derrumbarse sobre sí mismo.

Ahora, el equipo de Salvatore Vitale, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), y Hsin-Yu Chen, de la Universidad Harvard, ambas entidades en Estados Unidos, ha propuesto una forma más precisa e independiente de medir la constante de Hubble, usando ondas gravitatorias emitidas por un sistema relativamente raro: una pareja de astros masivos compuesta por un agujero negro y una estrella de neutrones, un sistema binario enormemente energético en el que cada astro gira en espiral alrededor del otro. A medida que se reduce la distancia que separa a estos objetos, deben producir ondas gravitatorias capaces de hacer temblar el espacio, y un destello de luz cuando acaban colisionando.

Los autores del nuevo estudio argumentan que un destello de luz de este tipo puede dar a los científicos una indicación de la velocidad a la cual la pareja se está alejando de la Tierra. Las ondas gravitatorias emitidas, si fueran detectadas en la Tierra, deberían proporcionar una medida independiente y precisa de la distancia del sistema. Aunque las binarias de este tipo son muy escasas, los investigadores calculan que bastaría detectar unas pocas para obtener el valor más preciso hasta la fecha de la constante de Hubble y de la tasa de expansión del universo.

Se piensa que la mayor parte de la materia del Universo es materia no bariónica, posiblemente compuesta por partículas que aún no conocemos. Según la teoría actual, si en la formación y evolución de galaxias solo influyen las interacciones gravitatorias, las galaxias deberían estar rodeadas por extensos esferoides de partículas de materia oscura siguiendo una distribución concreta y cuya densidad aumenta conforme nos acercamos a su centro.

Sin embargo, “se está alcanzando el consenso de que los procesos debidos a la componente bariónica de las galaxias, pueden alterar la distribución de materia oscura, haciéndola menos densa en el centro”, comentan Arianna Di Cintio y Chris B. Brook, astrofísicos del IAC y de la ULL.

Los cálculos analíticos y simulaciones muestran que, en principio, la energía que proviene de las explosiones de supernovas tipo II, asociadas a la muerte de estrellas masivas, pueden presionar el gas repetidamente hacia las partes externas. Esto provocaría un cambio en el potencial gravitatorio en el centro de las galaxias, reajustando la distribución de materia oscura, que se volvería menos densa en las regiones centrales.

“Es de crucial importancia cuantificar cómo los procesos relacionados con la muerte de las estrellas pueden afectar a las propiedades de la distribución de la materia oscura”, informan Giuseppina Battaglia y José Ramón Bermejo-Climent, astrofísica del IAC y de la ULL e investigador del National Institute of Astrophysics (INAF) y antiguo alumno de la Universidad de La Laguna, respectivamente. Y añaden: “Esto ayuda a la comunidad a poner a prueba las teorías sobre la materia oscura”.

En este estudio, los autores han utilizado datos precisos sobre la cantidad de estrellas formadas en las primeras fases de la vida cuando el Universo apenas tenía una cuarta parte de su edad actual, de 16 galaxias enanas del Grupo Local al que pertenece la Vía Láctea.

“Nuestro Grupo Local –explican los investigadores del IAC y de la ULL Carme Gallart y Matteo Monelli- nos ofrece la posibilidad de calcular cuántas estrellas han nacido y muerto en la historia de las galaxias que lo componen desde los primeros tiempos, porque podemos estudiar estos sistemas con exquisito detalle gracias a su proximidad”.

Calculando la cantidad de energía asociada a las estrellas masivas que se espera que hayan explotado en forma de supernova tipo II en los primeros miles de millones de años de vida de estas galaxias, los autores han podido concluir que, salvo que más del 90% de esta energía se pierda en forma de radiación, estos procesos pueden inducir cambios en la densidad de los halos de materia oscura de las galaxias analizadas.

Los investigadores se atreven a augurar también cuáles de estos sistemas son los más prometedores para estudiar más a fondo. “Predecimos que, entre las galaxias enanas que rodean la Vía Láctea, las desviaciones más grandes de la estructura inicial de los halos de materia oscura deberían tener lugar en las galaxias enanas brillantes de Sculptor y Fornax”, afirman Bermejo-Climent y Battaglia. “Mientras que las galaxias enanas menos luminosas de Draco y Ursa Minor deberían haber sido más capaces de preservar las densidades centrales iniciales en sus halos de materia oscura”. El tiempo confirmará si las predicciones se hacen realidad.

Los estudios de este artículo se han llevado a cabo en colaboración con investigadores del MPIA, Heidelberg (Alemania), el Centro de Astrofísica Teórica y Cosmología de la Universidad de Zurich (Suiza), el Instituto de Astronomía de la Universidad de Edimburgo (Reino Unido) y el Departamento de Física de la Universidad de Surrey (Reino Unido).

• Artículo: J.R. Bermejo-Climent et al. On the early evolution of Local Group dwarf galaxy types: star formation and supernova feedback. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 479, Issue 2, 11 September 2018, Pages 1514–1527, https://doi.org/10.1093/mnras/sty1651

A primera vista, esta imagen parece inundada por el efecto de nieve que produce la electricidad estática, pero no, no es un problema de visualización.

No se trata de ruido estático ni de pixelado: cada punto de luz en esta imagen es una galaxia distante detectada por el observatorio espacial Herschel de la ESA. Cada una de estas minúsculas marcas representa el ‘calor’ que emanan los granos de polvo que se hallan entre las estrellas de cada galaxia. Esta radiación ha tardado miles de millones de años en llegar a nosotros y, en la mayoría de casos, se emitió mucho antes de que se formaran la Tierra y el Sistema Solar.

La imagen muestra un mapa del polo norte galáctico capturado por el receptor de imágenes espectrales y fotométricas SPIRE de Herschel. Al igual que sucede con la Tierra, los astrónomos utilizan un sistema de coordenadas para definir las distintas ubicaciones a escala cósmica. En el caso de la Vía Láctea, este sistema de coordenadas es esférico, con el Sol en el centro, y ofrece valores de longitud y latitud en el firmamento con respecto a nuestra galaxia.

El polo norte galáctico se encuentra lejos del disco de la Vía Láctea y ofrece una vista clara y sin obstáculos del Universo distante, más allá de nuestra galaxia anfitriona. Se sitúa en algún lugar en la constelación boreal de Coma Berenices (Cabellera de Berenice), una región que también alberga un rico cúmulo galáctico conocido como el Cúmulo de Coma. Da la casualidad de que este cúmulo está incluido en este mapa, lo que suma más de mil puntos de luz más al recuento de galaxias individuales.

Herschel, que permaneció activo entre 2009 y 2013, empleó sus instrumentos para estudiar el firmamento en el infrarrojo lejano. SPIRE resultó especialmente útil para cartografiar grandes áreas, y observó el polo norte galáctico con tres filtros distintos al mismo tiempo, por lo que sus observaciones se pueden utilizar para producir imágenes multicolor.

La imagen de hoy constituye un mapa de un solo filtro, se obtuvo a una longitud de onda de 250 μm como parte del programa H-ATLAS (Herschel Astrophysical Terahertz Large Area Survey) y abarca unos 180,1 grados cuadrados del firmamento. Durante el proyecto se utilizaron SPIRE y otro instrumento de Herschel, PACS (cámara y espectrómetro con conjuntos de detectores fotoconductores) para explorar unos 660 grados cuadrados del cielo en cinco bandas de longitud de onda y producir los mapas del infrarrojo lejano más completos jamás elaborados más allá de nuestra galaxia.

La estructura de Universo se asemeja a la de una esponja a la que, comúnmente, se le llama red cósmica. La materia se dispone a lo largo de filamentos que se entrecruzan, dejando zonas donde la materia se acumula y otras en las que casi no hay. En los puntos de mayor densidad, las galaxias se agrupan, formando cúmulos de galaxias. Estos sistemas, que pueden contener miles de galaxias, son las estructuras con mayor masa del Universo.

El estudio de la red cósmica es uno de los retos de la Astrofísica actual. Se desconocen las propiedades de las componentes principales de la materia a estas escalas. Por ello, usamos términos como “materia oscura” y “energía oscura”. La primera supone hasta un 20% de la masa total del Universo y es la responsable de mantener a las estructuras unidas gravitatoriamente. Es decir, actúa como pegamento. La segunda, por el contrario, conforma el 75% del Universo y está relacionada con el modo en que el Universo se expande. La materia ordinaria, es decir, las galaxias, el gas, el polvo, las estrellas, etc. apenas representa un 5% de la masa del Universo, pero tienen el importante papel de trazar las fuerzas y propiedades de la materia y la energía oscura.

Un equipo internacional, liderado por Mauro Sereno, de la Universidad de Bolonia, en el que también han participado el IAC y el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA), ha localizado uno de los cúmulos de galaxias más densos del Universo. El estudio analiza, por primera vez, las zonas más externas del cúmulo de galaxias PSZ2 G099.86+58.45 hasta una distancia de 30 megaparsecs, una región en la que hasta ahora no se conocía cómo se distribuía la masa, ni si a estas distancias la materia estaba ligada por la gravedad del cúmulo.

El ambiente en torno a los cúmulos de galaxias incluye otras estructuras como “filamentos”, otros cúmulos vecinos y la materia que cae hacia el cúmulo central más masivo. “Este estudio revela que la densidad de materia alrededor del cúmulo estudiado es hasta seis veces mayor que lo que se espera”, señala Mauro Sereno, investigador principal de este trabajo. Asimismo, se ha descubierto que los mecanismos de acrecimiento de masa pueden llegar a producir densidades muy altas, incluso a grandes distancias de los cúmulos galácticos.

El trabajo se ha basado en el efecto de “lente gravitatoria”, que consiste en que la masa del cúmulo y la materia circundante desvían la luz procedente de galaxias más lejanas, modificando la forma observada de estas galaxias de fondo. Cuanto más denso y concentrado es el cuerpo que actúa de lente, mayor es la deformación de las galaxias del fondo. El estudio estadístico de las deformaciones de más de 150.000 galaxias del fondo, también llamado efecto de lente débil o “weak lensing”, realizado con imágenes profundas obtenidas con el telescopio CFHT (Canada-France-Hawaii Telescope), ha permitido conocer la distribución, masa y densidad de materia entorno al cúmulo PSZ2 G099.86+58.45. Los resultados revelan que este cúmulo supone un caso excepcionalmente raro, que no ajusta bien a los modelos de formación de estructuras. Esto implica que debe de haber mecanismos de acrecimiento de materia mucho más eficaces a los que hoy conocemos.

Si bien los modelos ajustan adecuadamente la densidad superficial de masa en regiones internas de los cúmulos de galaxias, hasta los 5-7 megaparsecs, más allá, en las regiones externas, los modelos deben implementar una componente adicional para ajustar los datos observacionales. “Esta componente de masa es totalmente desconocida, ni las simulaciones numéricas de cúmulos de galaxias y estructuras a gran escala predicen su existencia”, explica Rafael Barrena, investigador del IAC y uno de los autores del artículo publicado en Nature Astronomy. “Con lo cual –añade- estamos ante la evidencia observacional de grandes cantidades de materia donde no lo esperábamos”.

El grupo del IAC que participa en esta publicación ha observado espectroscópicamente una muestra de las galaxias que forman parte del cúmulo PSZ2 G099.86+58.45 usando el espectrógrafo multiobjeto OSIRIS, instalado en el Gran Telescopio Canarias (GTC), en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma). Midiendo las velocidades a las que se mueven estas galaxias es posible determinar la masa total del cúmulo. En la práctica, este problema sería como determinar la masa del Sol a partir de la velocidad con la que se mueven los planetas. Utilizando esta técnica han logrado medir la masa total del cúmulo. Los resultados confirman que PSZ2 G099.86+58.45 es un cúmulo de galaxias muy masivo y denso, y que los efectos de su altísima gravedad se extienden a distancias extremadamente grandes, mucho más de lo que los modelos predicen.

“Estamos ante un estudio que abre la puerta a una región del Universo que hasta ahora no ha sido suficientemente explorada, la frontera límite de los cúmulos de galaxias”, señala la investigadora del IAC y coautora del artículo Alina Streblyanska. Una zona que puede aportar mucha información a la hora de estudiar estos sistemas, cómo se forman y cómo evolucionan las estructuras más masivas del Universo. “Con este estudio se da otro pequeño paso en el conocimiento de la materia oscura y cómo ésta se distribuye en la red cósmica del Universo”, concluye Antonio Ferragamo.

• Artículo: M. Sereno et al. Gravitational lensing detection of an extremely dense environment around a galaxy cluster. Nature Astronomy (2018). DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-018-0508-y

Utilizando el instrumento MUSE, instalado en el VLT ( Very Large Telescope) de ESO, en Chile, y el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA, un equipo de astrónomos ha realizado la prueba más precisa hecha hasta el momento de la teoría general de la relatividad de Einstein fuera de la Vía Láctea. La cercana galaxia ESO 325-G004 actúa como una fuerte lente gravitacional, distorsionando la luz que proviene de una galaxia lejana que se encuentra detrás de ella y creando un anillo de Einstein alrededor de su centro. Comparando la masa de ESO 325-G004 con la curvatura del espacio a su alrededor, los astrónomos descubrieron que la gravedad a estas escalas de distancias astronómicas se comporta según lo predicho por la relatividad general. Esto descarta algunas teorías alternativas de la gravedad. 

Dos métodos para medir la masa de una galaxia

Utilizando el instrumento MUSE, instalado en el VLT de ESO, un equipo dirigido por Thomas Collett, de la Universidad de Portsmouth (Reino Unido) calculó primero la masa de ESO 325-G004 midiendo el movimiento de las estrellas de esta galaxia elíptica cercana.

Collett explica: “Se utilizaron datos del VLT (Very Large Telescope) de Chile para medir cuán rápido se movían las estrellas de ESO 325-G004. Esto permitió inferir cuánta masa debe haber en la galaxia para mantener estas estrellas en órbita”.

Pero el equipo también pudo medir otro aspecto de la gravedad. Usando el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA, observaron un anillo de Einstein resultante de la distorsión ejercida por ESO 325-G004 en la luz procedente de una galaxia distante. Observando el anillo, los astrónomos pudieron medir cómo la luz (y, por tanto, el espacio-tiempo), se desvían por la enorme masa de ESO 325-G004.

La teoría de la relatividad general de Einstein predice que los objetos deforman el espacio-tiempo a su alrededor, haciendo que cualquier luz que pase cerca sea desviada. El resultado es un fenómeno conocido como lente gravitacional. Este efecto sólo es perceptible con objetos muy masivos. Se conocen unas cien lentes gravitacionales fuertes, pero la mayoría están demasiado lejos como para poder medir con precisión su masa. Sin embargo, la galaxia ESO 325-G004 es una de las lentes más cercanas, a apenas 450 millones de años luz de la Tierra.

Collett continúa: “Gracias a MUSE, conocemos la masa de la galaxia en primer plano y, gracias a Hubble, hemos medido la cantidad del efecto de lente gravitacional que vemos. Luego, comparamos estas dos maneras de medir la fuerza de la gravedad y el resultado es justo lo que predice la relatividad general con una incertidumbre de sólo un nueve por ciento. Esta es la prueba más precisa de la relatividad general fuera de la Vía Láctea realizada hasta la fecha. ¡Y utilizando una sola galaxia!”.

La relatividad general ha sido puesta a prueba con exquisita precisión a escalas del Sistema Solar, y se han estudiado con mucho detalle los movimientos de estrellas alrededor del agujero negro del centro de la Vía Láctea, pero previamente no se habían hecho pruebas tan precisas a escalas astronómicas más grandes. Probar las propiedades de largo alcance de la gravedad es de vital importancia para validar nuestro modelo cosmológico actual.

Estos hallazgos pueden tener importantes implicaciones para los modelos de gravedad alternativos a la relatividad general. Estas teorías alternativas predicen que los efectos de la gravedad en la curvatura del espacio-tiempo “dependen de la escala”. Esto significa que la gravedad debería comportarse de manera diferente a escala de grandes distancias astronómicas con respecto a las escalas más pequeñas del Sistema Solar. Collett y su equipo han descubierto que es poco probable que esto sea así, a menos que estas diferencias sólo se produzcan a escalas de distancias de más de 6000 años luz.

“El universo es un lugar increíble que nos proporciona esas lentes que podemos usar como laboratorios”, añade el miembro del equipo Bob Nichol, de la Universidad de Portsmouth. “Es muy satisfactorio utilizar los mejores telescopios del mundo con el objetivo de desafiar a Einstein y averiguar, al final, cuánta razón tenía”.

Diagrama del efecto de lente gravitatoria en galaxias distantes con formación estelar

ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al.

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.