Estructura desconocida en galaxia revelada por imágenes de alto contraste


Como resultado de lograr un alto rango dinámico de imágenes, un equipo de astrónomos en Japón descubrió por primera vez una débil emisión de radio que cubre una galaxia gigante con un agujero negro energético en su centro. La emisión de radio se libera del gas creado directamente por el agujero negro central. El equipo espera comprender cómo interactúa un agujero negro con su galaxia anfitriona aplicando la misma técnica a otros cuásares.

3C273, que se encuentra a una distancia de 2.400 millones de años luz de la Tierra, es un cuásar. Un cuásar es el núcleo de una galaxia que se cree que alberga un enorme agujero negro en su centro, que se traga el material que lo rodea y emite una enorme radiación. Contrariamente a su nombre anodino, 3C273 es el primer quásar jamás descubierto, el más brillante y el mejor estudiado. Es una de las fuentes más frecuentemente observadas con telescopios porque puede usarse como estándar de posición en el cielo: en otras palabras, 3C273 es un faro de radio.

Impresión artística de una galaxia gigante con un chorro de alta energía. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Cuando ve los faros de un automóvil, el brillo deslumbrante hace que sea difícil ver los alrededores más oscuros. Lo mismo sucede con los telescopios cuando observas objetos brillantes. El rango dinámico es el contraste entre los tonos más brillantes y los más oscuros de una imagen. Necesita un alto rango dinámico para revelar tanto las partes brillantes como las oscuras en un solo disparo de un telescopio. ALMA puede alcanzar regularmente rangos dinámicos de imágenes de hasta alrededor de 100, pero las cámaras digitales disponibles comercialmente suelen tener un rango dinámico de varios miles. Los radiotelescopios no son muy buenos para ver objetos con un contraste significativo.

3C273 ha sido conocido durante décadas como el cuásar más famoso, pero el conocimiento se ha concentrado en sus núcleos centrales brillantes, de donde provienen la mayoría de las ondas de radio. Sin embargo, se sabe mucho menos sobre su propia galaxia anfitriona porque la combinación de la galaxia tenue y difusa con el núcleo 3C273 requería rangos dinámicos tan altos para detectar. El equipo de investigación usó una técnica llamada autocalibración para reducir la fuga de ondas de radio del 3C273 a la galaxia, que usó el propio 3C273 para corregir los efectos de las fluctuaciones atmosféricas de la Tierra en el sistema del telescopio. Alcanzaron un rango dinámico de imágenes de 85000, un récord de ALMA para objetos extragalácticos.

Como resultado de lograr un alto rango dinámico de imágenes, el equipo descubrió la débil emisión de radio que se extiende por decenas de miles de años luz sobre la galaxia anfitriona de 3C273. La emisión de radio alrededor de los cuásares generalmente sugiere una emisión de sincrotrón, que proviene de eventos altamente energéticos como ráfagas de formación estelar o chorros ultrarrápidos que emanan del núcleo central. También existe un chorro de sincrotrón en 3C273, que se ve en la parte inferior derecha de las imágenes. Una característica esencial de la emisión de sincrotrón es que su brillo cambia con la frecuencia, pero la débil emisión de radio descubierta por el equipo tenía un brillo constante independientemente de la radiofrecuencia. Después de considerar mecanismos alternativos, el equipo descubrió que esta emisión de radio tenue y prolongada provenía del gas hidrógeno en la galaxia energizado directamente por el núcleo 3C273. Esta es la primera vez que se encuentra que las ondas de radio de un mecanismo de este tipo se extienden por decenas de miles de años luz en la galaxia anfitriona de un cuásar. Los astrónomos habían pasado por alto este fenómeno durante décadas en este icónico faro cósmico.

Entonces, ¿por qué es tan importante este descubrimiento? Ha sido un gran misterio en la astronomía galáctica si la energía del núcleo de un cuásar puede ser lo suficientemente fuerte como para privar a la galaxia de la capacidad de formar estrellas. La débil emisión de radio puede ayudar a resolverlo. El gas de hidrógeno es un ingrediente esencial en la creación de estrellas, pero si una luz tan intensa brilla sobre él que el gas se desarma (ioniza), no pueden nacer estrellas. Para estudiar si este proceso ocurre alrededor de los cuásares, los astrónomos han utilizado luz óptica emitida por gas ionizado. El problema de trabajar con luz óptica es que el polvo cósmico absorbe la luz en el camino hacia el telescopio, por lo que es difícil saber cuánta luz emite el gas.

Quasar 3C273 observado por el Telescopio Espacial Hubble (HST) (izquierda). El exceso de brillo da como resultado fugas radiales de luz creadas por la luz dispersada por el telescopio. En la parte inferior derecha hay un chorro de alta energía liberado por el gas alrededor del agujero negro central. | Imagen de radio de 3C273 observada por ALMA, que muestra la emisión de radio tenue y extendida (en color azul-blanco) alrededor del núcleo (derecha). La fuente central brillante se ha sustraído de la imagen. El mismo jet que la imagen de la izquierda se puede ver en naranja. Crédito: Komugi et al., NASA/ESA Telescopio espacial Hubble

Además, el mecanismo responsable de emitir luz óptica es complejo, lo que obliga a los astrónomos a hacer muchas suposiciones. Las ondas de radio descubiertas en este estudio provienen del mismo gas debido a procesos simples y no son absorbidas por el polvo. El uso de ondas de radio facilita mucho la medición del gas ionizado creado por el núcleo de 3C273. En este estudio, los astrónomos encontraron que al menos el 7% de la luz de 3C273 fue absorbida por el gas en la galaxia anfitriona, creando gas ionizado que asciende a 10-100 mil millones de veces la masa del sol. Sin embargo, 3C273 tenía una gran cantidad de gas justo antes de la formación de estrellas, por lo que, en general, no parecía que el núcleo hubiera suprimido fuertemente la formación de estrellas.

«Este descubrimiento proporciona una nueva vía para estudiar problemas abordados previamente mediante observaciones con luz óptica», dice Shinya Komugi, profesor asociado de la Universidad de Kogakuin y autor principal del estudio publicado en The Astrophysical Journal. «Al aplicar la misma técnica a otros cuásares, esperamos comprender cómo evoluciona una galaxia a través de su interacción con el núcleo central».

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