¿Qué activa a un agujero negro supermasivo?

El campo COSMOS. Crédito: CFHT/IAP/Terapix/CNRS/ESO

Un nuevo estudio, que combina datos obtenidos con el Very Large Telescope (VLT) de ESO en Cerro Paranal (Chile) y el observatorio espacial de rayos-X XMM-Newton de ESA, ha dado una gran sorpresa. Durante los últimos once mil millones de años, la mayoría de los enormes agujeros negros en los centros de las galaxias no fueron activados por la fusión entre galaxias, como se creía hasta ahora.

En el corazón de la mayoría las grandes galaxias yace un agujero negro supermasivo con una masa millones (o incluso miles de millones) de veces mayor que la masa de nuestro Sol. En muchas galaxias, incluyendo nuestra Vía Láctea, el agujero negro en el centro está quieto. Pero en otras, particularmente en los orígenes de la historia de nuestro Universo [1], el monstruo central está engullendo material que emite una intensa radiación al caer dentro del agujero negro.

Un misterio sin resolver es la procedencia del material que activa a un agujero negro dormido mediante violentos estallidos en el centro de la galaxia, convirtiéndola en lo que se conoce como núcleo galáctico activo. Hasta ahora, muchos astrónomos creían que la mayoría de estos núcleos activos fueron encendidos por dos galaxias que se fusionaron o que pasaron muy cerca una de otra, alterando el material que habría servido finalmente de combustible para el agujero negro central. Sin embargo, los nuevos resultados indican que esta idea no es correcta para muchas galaxias activas.

Viola Allevato (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik; Excellence Cluster Universe, Garching, Alemania) y un equipo internacional de científicos de la colaboración COSMOS [2] lograron mirar en detalle más de 600 de estas galaxias activas en una parte de cielo extensamente estudiada, conocida como campo COSMOS [3]. Como se esperaba, los astrónomos determinaron que lo núcleos galácticos activos extremadamente brillantes eran escasos, mientras que gran parte de las galaxias activas en los últimos once mil millones de años tenían un brillo moderado. Pero había una sorpresa; los nuevos datos mostraron que la gran mayoría de estas galaxias activas menos brillantes y más comunes no fueron encendidas por la fusión entre galaxias [4]. Los resultados de este estudio serán publicados en la revista The Astrophysical Journal.

La presencia de núcleos galácticos activos se detecta por los rayos-X emitidos alrededor del agujero negro, captados por el observatorio espacial de rayos-X XMM-Newton de ESA. Estas galaxias fueron subsecuentemente observadas con el Very Large Telescope (VLT) de ESO en Cerro Paranal (Chile), lo que permitió medir las distancias de estas galaxias [5]. Al combinar las observaciones, el equipo fue capaz de crear un mapa tridimensional que muestra dónde yacen las galaxias activas.

“Nos costó más de cinco años, pero fuimos capaces de generar uno de los mayores y más completos inventarios de galaxias activas en rayos-X en el cielo”, dice Marcella Brusa, una de las autoras del estudio.

Los astrónomos pudieron usar este nuevo mapa para descubrir cómo estaban distribuidas las galaxias activas y comparar estos resultados con las predicciones teóricas. También fueron capaces de ver cómo cambió la distribución a lo largo de la vida del Universo – un extenso período que comienza hace once mil millones de años atrás y que termina casi en nuestros días.

El equipo detectó que los núcleos activos se encuentran mayormente en grandes galaxias masivas con mucha materia oscura [6]. Esto fue una sorpresa que no coincidía con las predicciones teóricas – si la mayoría de los núcleos activos eran una consecuencia de fusiones y colisiones entre galaxias, lo esperable era encontrarlos en galaxias con masa moderada (un trillón de veces la masa del Sol). El equipo descubrió que la mayoría de los núcleos activos residen en galaxias con masas 20 veces mayores que el valor predicho por la teoría de fusiones.

“Estos nuevos resultados nos brindan una nueva visión sobre cómo los agujeros negros supermasivos comienzan a alimentarse”, dice Viola Allevato, autora principal del estudio. “Nos indican que los agujeros negros son normalmente alimentados por un proceso propio de la galaxia, como inestabilidades en el disco y estallidos estelares, en lugar de colisiones entre galaxias”.

Alexis Finoguenov, quien supervisó la investigación, concluye: “Incluso en el pasado distante, hace unos once mil millones de años atrás, las colisiones entre galaxias sólo pueden explicar un pequeño porcentaje de las galaxias activas con brillo moderado. En ese tiempo las galaxias estaban muy juntas, por lo que era esperable que las fusiones fueran más frecuentes que en pasado más reciente, por eso estos nuevos resultados son tan sorprendentes”.

Notas

[1] La galaxias activas más brillantes fueron más comunes en el Universo unos tres o cuatro mil millones de años después del Big Bang, mientras que las menos brillantes son posteriores, alcanzando su máximo unos ocho mil millones de años después del Big Bang.

[2] El nuevo estudio se basa en dos extensos programas astronómicos europeos: el sondeo XMM-Newton del campo COSMOS, liderado por el Profesor Günther Hasinger; y el zCOSMOS de ESO, liderado por el Profesor Simon Lilly. Estos programas son parte de la iniciativa COSMOS, un proyecto internacional que tiene como objetivo observar una parte del cielo usando el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA, los telescopios espaciales de rayos-X XMM-Newton de ESA y Chandra de NASA, al igual que el Telescopio Espacial infrarrojo Spitzer de la NASA junto a observaciones adicionales con el Very Large Telescope de ESO y otros telescopios basados en tierra.

[3] El campo COSMOS es un área similar a diez veces la Luna llena, en la constelación de Sextans. Ha sido cartografiada por numerosos telescopios en diferentes longitudes de onda, por lo que una serie de investigaciones pueden beneficiarse de esta abundante información.

[4] Un trabajo con el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA publicado el año pasado mostró que no hay una fuerte relación entre núcleos activos en galaxias y fusiones, basándose en una muestra de galaxias relativamente cercanas. Este estudio miró unos ocho mil millones de años hacia atrás, mientras que el nuevo estudio lleva sus conclusiones tres mil millones de años más atrás en el pasado del Universo, en un tiempo en que las galaxias estaban incluso más juntas entre sí.

[5] El equipo usó un espectrógrafo en el VLT para dividir la luz de las galaxias en los colores que la componen. Un análisis cuidadoso les permitió posteriormente determinar su desplazamiento al rojo, es decir, cuánto se ha estirado la luz a causa de la expansión del Universo desde que salió de las galaxias y, por lo tanto, a qué distancia se encuentran. Debido a que la luz viaja a una velocidad finita, nos sirve como indicador para saber cuán lejos en el tiempo estamos viendo objetos distantes.

[6] La materia oscura es una sustancia misteriosa e invisible presente en la mayoría, o casi todas, las galaxias (activas o no), incluyendo nuestra Vía Láctea. Los autores han estimado la cantidad de materia oscura en cada galaxia – lo que indica su masa total – a partir de la distribución de las galaxias en el nuevo estudio.

Información adicional

Este estudio fue presentado en un artículo científico que será publicado en The Astrophysical Journal en Julio de 2011.

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