Un equipo de investigación internacional dirigido por Takuma Izumi, profesor asistente del Observatorio Astronómico Nacional de Japón, ha logrado un hito al observar el cercano núcleo galáctico activo de la galaxia Circinus, con una resolución extremadamente alta (aproximadamente 1 año luz) utilizando el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).
Estos resultados de observación, titulados “Alimentación y retroalimentación de agujeros negros supermasivos observados en escalas subparsec”, se publican en Science.
Se trata de la primera medición cuantitativa del mundo de los flujos de gas y sus estructuras en las inmediaciones, hasta la escala de unos pocos años luz, de un agujero negro supermasivo en todas las fases gaseosas, incluida la plasma, la atómica y la molecular. Como resultado, el equipo ha capturado claramente el flujo de acreción que se dirige hacia el agujero negro supermasivo y ha revelado que este flujo de acreción es generado por un mecanismo físico conocido como “inestabilidad gravitacional”.
Además, el equipo también descubrió que una parte importante de este flujo de acreción no se utiliza para el crecimiento del agujero negro. En cambio, la mayor parte del gas es expulsado de las proximidades del agujero negro en forma de flujos atómicos o moleculares y regresa al disco de gas para participar nuevamente en un flujo de acreción hacia el agujero negro: este proceso de reciclaje de gas es similar a una fuente de agua. . Estos hallazgos representan un avance crucial hacia una comprensión integral de los mecanismos de crecimiento de los agujeros negros supermasivos.
En el centro de muchas galaxias masivas existen “agujeros negros supermasivos” con masas que superan un millón de veces la del Sol. ¿Cómo se forman estos agujeros negros supermasivos? Uno de los mecanismos de crecimiento cruciales propuestos por investigaciones anteriores es la “acumulación de gas” en el agujero negro. Esto se refiere al proceso en el que el gas de la galaxia anfitriona cae de alguna manera hacia el agujero negro central.
El gas que se acumula muy cerca de los agujeros negros supermasivos se acelera a altas velocidades debido a la gravedad del agujero negro. Como consecuencia de la intensa fricción entre las partículas de gas, este gas se calienta a temperaturas que alcanzan varios millones de grados y emite una luz brillante. Este fenómeno se conoce como núcleo galáctico activo (AGN) y su brillo puede en ocasiones superar la luz combinada de todas las estrellas de la galaxia. Curiosamente, se cree que una parte del gas que cae hacia el agujero negro (flujo de acreción) es arrastrado por la inmensa energía de este núcleo galáctico activo, lo que provoca salidas.
Tanto los estudios teóricos como los observacionales han proporcionado información detallada sobre los mecanismos de acumulación de gas desde la escala de 100.000 años luz de las galaxias hasta una escala de unos pocos cientos de años luz en el centro. Sin embargo, la acumulación de gas en una región mucho más pequeña, especialmente a unas pocas docenas de años luz del centro galáctico, no ha quedado clara debido a su escala espacial extremadamente limitada.
Por ejemplo, para comprender cuantitativamente el crecimiento de los agujeros negros, es necesario medir el caudal de acreción (cuánto gas fluye hacia adentro) y determinar las cantidades y tipos de gases (plasma, gas atómico, gas molecular) que son expulsados. como salidas a esa pequeña escala. Desafortunadamente, la comprensión observacional a este respecto no ha progresado significativamente hasta ahora.
En este estudio, el equipo de investigación logró capturar por primera vez el flujo de acreción que se dirige hacia el agujero negro supermasivo dentro del disco de gas de alta densidad que se extiende a varios años luz del centro galáctico. Identificar este flujo de acreción había sido durante mucho tiempo una tarea desafiante debido a la pequeña escala de la región y los complejos movimientos del gas cerca del centro galáctico.
Sin embargo, en este caso, el equipo de investigación identificó el lugar donde el gas molecular en primer plano estaba absorbiendo la luz del núcleo galáctico activo que brillaba intensamente en el fondo. Esta identificación fue posible gracias a observaciones de alta resolución con ALMA. Un análisis detallado reveló que este material absorbente se está alejando de nosotros. Dado que el material absorbente siempre existe entre el núcleo galáctico activo y nosotros, esto indica que el equipo ha capturado con éxito el flujo de acreción hacia el núcleo galáctico activo.
Además, el equipo de investigación también ha dilucidado el mecanismo físico responsable de inducir esta acumulación de gas. El propio disco de gas observado exhibía una fuerza gravitacional tan sustancial que no podía ser sostenida por la presión calculada a partir del movimiento del disco de gas.
Cuando surge esta situación, el disco de gas colapsa por su propio peso, formando estructuras complejas y volviéndose incapaz de mantener un movimiento estable en el centro galáctico. Como resultado, el gas cae rápidamente hacia el agujero negro central. Ahora ALMA ha revelado claramente este fenómeno físico conocido como “inestabilidad gravitacional” en el corazón de la galaxia.
Además, este estudio ha avanzado significativamente en la comprensión cuantitativa de los flujos de gas alrededor del núcleo galáctico activo. A partir de la densidad del gas observado y la velocidad del flujo de acreción, se puede calcular la tasa de acreción a la que se suministra gas al agujero negro. Sorprendentemente, se descubrió que esta tasa era 30 veces mayor de lo que realmente se requiere para mantener la actividad de este núcleo galáctico activo.
En otras palabras, la mayor parte del flujo de acreción en la escala de 1 año luz alrededor del centro galáctico no contribuyó al crecimiento del agujero negro. Entonces, ¿adónde se fue este excedente de gas? Este misterio también se ha desvelado en este estudio: observaciones de alta sensibilidad de todas las fases de los gases (molecular, atómica y plasma de densidad media; correspondientes a las regiones roja, azul y rosa en la primera imagen de arriba) en las que ALMA detectó flujos de salida del gas activo. núcleo galáctico.
Mediante análisis cuantitativos, se reveló que la mayor parte del gas que fluyó hacia el agujero negro fue expulsado en forma de flujos atómicos o moleculares. Sin embargo, debido a sus bajas velocidades, no pudieron escapar del potencial gravitacional del agujero negro y finalmente regresaron al disco de gas. Allí, se reciclaron nuevamente en un flujo de acreción hacia el agujero negro, similar a una fuente, completando así un fascinante proceso de reciclaje de gas en el centro galáctico (segunda imagen).
Respecto a los logros de este estudio, Izumi afirma: “Detectar flujos de acreción y salidas en una región a sólo unos pocos años luz alrededor del agujero negro supermasivo en crecimiento activo, particularmente en un gas multifásico, e incluso descifrar el propio mecanismo de acreción, son realmente monumentales”. Logros en la historia de la investigación de agujeros negros supermasivos”.
De cara al futuro, continúa: “Para comprender exhaustivamente el crecimiento de los agujeros negros supermasivos en la historia cósmica, necesitamos investigar varios tipos de agujeros negros supermasivos que se encuentran más lejos de nosotros. Esto requiere alta resolución y alta sensibilidad”. observaciones, y tenemos grandes expectativas para el uso futuro de ALMA, así como para los próximos grandes interferómetros de radio de la próxima generación”.
Con información de Science
