Descubrieron espeluznantes radiogalaxias en forma de X


Cuando los astrónomos usan radiotelescopios para observar el cielo nocturno, normalmente ven galaxias de forma elíptica, con chorros gemelos saliendo de ambos lados de su agujero negro supermasivo central. Pero de vez en cuando, menos del 10% de las veces, los astrónomos pueden detectar algo especial y raro: una radiogalaxia en forma de X, con cuatro chorros que se extienden hacia el espacio.

Una imagen fija tomada de la simulación 3D del desarrollo natural de un chorro en forma de X. El gas (rojo brillante) cae en el agujero negro, que lanza un par de chorros relativistas (azul claro). Los chorros se propagan verticalmente y chocan con el gas ambiental (rojo oscuro). Las cavidades más antiguas (azul oscuro) se elevan en ángulo con respecto a los chorros que se propagan verticalmente para formar la forma de X. Crédito: Aretaios Lalakos/Universidad del Noroeste

Aunque estas misteriosas radiogalaxias en forma de X han confundido a los astrofísicos durante dos décadas, un nuevo estudio de la Universidad de Northwestern arroja una nueva perspectiva sobre cómo se forman, y es sorprendentemente simple. El estudio también encontró que las radiogalaxias en forma de X podrían ser más comunes de lo que se pensaba anteriormente.

El estudio se publicará el 29 de agosto en The Astrophysical Journal Letters. Marca la primera simulación de acreción de galaxias a gran escala que rastrea el gas galáctico lejos del agujero negro supermasivo hasta él.

La representación tridimensional del volumen de la densidad ilustra el desarrollo natural de la morfología del chorro en forma de X. El gas que cae forma un flujo de acreción (rojo brillante) en lo profundo del cual somos testigos de la formación de un disco de acreción (amarillo) que alimenta el agujero negro, que lanza un par de chorros relativistas (azul claro), que se propagan verticalmente y sacuden el gas ambiental. (rojo oscuro). Las cavidades más antiguas (azul oscuro), que se inflaron por la actividad anterior de los chorros desalineados, se elevan con fuerza en un ángulo con respecto a los chorros que se propagan verticalmente y forman la morfología del chorro en forma de X. Crédito: Aretaios Lalakos/Universidad del Noroeste
Las condiciones simples conducen a un resultado desordenado

Usando nuevas simulaciones, los astrofísicos de Northwestern implementaron condiciones simples para modelar la alimentación de un agujero negro supermasivo y la formación orgánica de sus chorros y disco de acreción. Cuando los investigadores realizaron la simulación, las condiciones simples llevaron de manera orgánica e inesperada a la formación de una radiogalaxia en forma de X.

Sorprendentemente, los investigadores descubrieron que la forma de X característica de la galaxia era el resultado de la interacción entre los chorros y el gas que caía en el agujero negro. Al principio de la simulación, el gas que caía desviaba los chorros recién formados, que se encendían y apagaban, se tambaleaban e inflaban erráticamente pares de cavidades en diferentes direcciones para parecerse a una forma de X. Eventualmente, sin embargo, los chorros se volvieron lo suficientemente fuertes como para empujar el gas. En este punto, los chorros se estabilizaron, dejaron de tambalearse y se propagaron a lo largo de un eje.

«Descubrimos que incluso con condiciones iniciales simétricas simples, puede tener un resultado bastante desordenado», dijo Aretaios Lalakos de Northwestern, quien dirigió el estudio. «Una explicación popular de las radiogalaxias en forma de X es que dos galaxias chocan, lo que hace que sus agujeros negros supermasivos se fusionen, lo que cambia el giro del agujero negro remanente y la dirección del chorro. Otra idea es que la forma del chorro se altera como interactúa con gas a gran escala que envuelve un agujero negro supermasivo aislado. Ahora, hemos revelado, por primera vez, que las radiogalaxias en forma de X pueden, de hecho, formarse de una manera mucho más simple».

Lalakos es estudiante de posgrado en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern y miembro del Centro para la Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA). Está co-asesorado por el coautor del artículo Sasha Tchekhovskoy, profesor asistente de física y astronomía en Northwestern y miembro clave de CIERA, y Ore Gottlieb, becario postdoctoral de CIERA.

Una forma de X accidental

Aunque las radiogalaxias emiten luz visible, también abarcan grandes regiones de emisión de radio. Quizás la radiogalaxia más famosa es M87, una de las galaxias más masivas del universo, que se popularizó aún más en 2019 cuando el Event Horizon Telescope capturó su agujero negro supermasivo central. Acuñadas por primera vez en 1992, las radiogalaxias en forma de X representan menos del 10% de todas las radiogalaxias.

Cuando Lalakos se dispuso a modelar un agujero negro, no esperaba simular una galaxia en forma de X. En cambio, su objetivo era medir la cantidad de masa devorada por un agujero negro. Ingresó condiciones astronómicas simples en la simulación y la dejó correr. Lalakos inicialmente no reconoció la importancia de la forma de X emergente, pero Tchekhovskoy reaccionó con fervor entusiasta.

«Él dijo: ‘Amigo, ¡esto es muy importante! ¡Tiene forma de X!'», dijo Lalakos. «Me dijo que los astrónomos han observado esto en la vida real y no sabían cómo se formaron. Lo creamos de una manera que nadie había especulado antes».

En simulaciones anteriores, otros astrofísicos han intentado crear estructuras en forma de X de forma artificial para estudiar cómo surgen. Pero la simulación de Lalakos condujo orgánicamente a la forma de X.

«En mi simulación, traté de no asumir nada», dijo Lalakos. «Por lo general, los investigadores colocan un agujero negro en el medio de una cuadrícula de simulación y colocan un gran disco gaseoso ya formado a su alrededor, y luego pueden agregar gas ambiental fuera del disco. En este estudio, la simulación comienza sin un disco, pero pronto se forma uno a medida que el gas giratorio se acerca al agujero negro. Este disco luego alimenta el agujero negro y crea chorros. Hice las suposiciones más simples posibles, por lo que todo el resultado fue una sorpresa. Esta es la primera vez que alguien ve X -Morfología en forma de simulaciones a partir de condiciones iniciales muy simples».

‘No tuve la suerte de verlos’

Debido a que la forma de X solo surgió al principio de la simulación, hasta que los chorros se fortalecieron y estabilizaron, Lalakos cree que las radiogalaxias en forma de X podrían aparecer con más frecuencia en el universo, pero duran muy poco tiempo de lo que se pensaba anteriormente.

«Pueden surgir cada vez que el agujero negro obtiene gas nuevo y comienza a comer de nuevo», dijo. «Así que pueden estar sucediendo con frecuencia, pero es posible que no tengamos la suerte de verlos porque solo suceden mientras la potencia del chorro es demasiado débil para expulsar el gas».

A continuación, Lalakos planea continuar ejecutando simulaciones para comprender mejor cómo surgen estas formas en X. Espera experimentar con el tamaño de los discos de acreción y los giros de los agujeros negros centrales. En otras simulaciones, Lalakos incluyó discos de acreción que eran casi inexistentes hasta llegar a ser extremadamente grandes; ninguno condujo a la escurridiza forma de X.

«Para la mayor parte del universo, es imposible hacer un acercamiento justo en el centro y ver lo que sucede muy cerca de un agujero negro», dijo Lalakos. «E incluso las cosas que podemos observar, estamos limitados por el tiempo. Si el agujero negro supermasivo ya se formó, no podemos observar su evolución porque la vida humana es demasiado corta. En la mayoría de los casos, confiamos en simulaciones para comprender qué sucede cerca de un agujero negro.»

El estudio se titula «Uniendo las escalas de Bondi y Event Horizon: las simulaciones 3D GRMHD revelan la morfología de las radiogalaxias en forma de X».

Con información de The Astrophysical Journal Letters

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