Astrónomos que utilizan el Very Long Baseline Array (VLBA) y el Very Large Array (VLA) han captado un agujero negro supermasivo en pleno despertar de un largo letargo, lo que proporciona una visión sin precedentes de las primeras etapas de la actividad de los agujeros negros. El descubrimiento ofrece nuevos conocimientos sobre cómo estos gigantes cósmicos comienzan a influir en sus entornos y podría ayudar a resolver antiguos enigmas sobre la evolución de las galaxias.
La investigación, dirigida por Francesco Ubertosi, de la Universidad de Bolonia y el Instituto Nacional de Astrofísica de Italia (INAF/IRA), se centró en el cúmulo de galaxias CHIPS 1911+4455, ubicado aproximadamente a 6 mil millones de años luz de la Tierra. Lo que hace extraordinario a este sistema es que su agujero negro supermasivo central se ha «activado» recientemente —astronómicamente hablando—, comenzando a consumir material activamente y a lanzar chorros hace apenas mil años.
«Es como ver a un gigante dormido despertar», afirmó Ubertosi, autor principal del estudio. Estamos observando este agujero negro supermasivo al comienzo de su fase activa, antes de que haya tenido tiempo de alterar significativamente su entorno. Es una oportunidad excepcional para estudiar la imagen previa de la retroalimentación de los agujeros negros.
Utilizando la extraordinaria resolución del VLBA —capaz de distinguir detalles equivalentes a leer un periódico en Los Ángeles de uno en Nueva York—, el equipo descubrió que los chorros del agujero negro se extienden solo unos 30 pársecs (aproximadamente 100 años luz) desde el agujero negro central. Esto puede parecer grande, pero en términos cósmicos, se trata de chorros incipientes. A modo de comparación, los chorros de agujeros negros maduros en sistemas similares pueden extenderse decenas de miles de pársecs.
Las observaciones del VLBA revelaron una fuente de radio compacta con chorros simétricos de dos caras que emergen del núcleo de la galaxia. El espectro de radio muestra la característica forma de pico que la identifica como una radiogalaxia muy joven, con una edad estimada de solo unos 1000 años: un abrir y cerrar de ojos cósmico.
«Los chorros son tan jóvenes y pequeños que no han tenido tiempo de expulsar el gas caliente circundante ni de interrumpir el proceso de enfriamiento que se produce en el núcleo del cúmulo», explicó la coautora Myriam Gitti, también de la Universidad de Bolonia e INAF/IRA. «Esto nos proporciona un laboratorio único para estudiar cómo comienza la retroalimentación de los agujeros negros».
La mayoría de los estudios sobre agujeros negros supermasivos en cúmulos de galaxias se centran en sistemas maduros donde el agujero negro ha estado activo durante millones de años, inflando enormes burbujas emisoras de radio y calentando el gas circundante. CHIPS 1911+4455 representa lo que los investigadores denominan un cúmulo de «prerretroalimentación»: un sistema donde se pueden estudiar las condiciones existentes antes de que el agujero negro afecte significativamente su entorno.
Un estudio previo había descubierto que el gas caliente del núcleo del cúmulo tiene una entropía muy baja y tiempos de enfriamiento cortos. «Creemos que lo que estamos viendo es la prueba irrefutable de cómo se activan los agujeros negros supermasivos en primer lugar», afirmó el coautor Pasquale Temi, del Centro de Investigación Ames de la NASA. El gas en el núcleo de este cúmulo se enfría con gran eficiencia, lo que podría proporcionar el combustible que despertó a este agujero negro dormido.
Si bien el agujero negro central apenas comienza su actividad, la galaxia que lo rodea ya es una excepcional fábrica de estrellas. El análisis del equipo coincide con investigaciones anteriores, lo que sugiere que la galaxia está formando estrellas a un ritmo de entre 140 y 190 masas solares al año, más de 100 veces más rápido que nuestra Vía Láctea. Esto la convierte en una de las galaxias del cúmulo central con formación estelar más rápidas que se conocen.
Curiosamente, las observaciones de radio con el VLA revelaron extensos «bigotes» de emisión de radio que se alinean con precisión con las regiones de formación estelar visibles en las imágenes del Telescopio Espacial Hubble. Los bigotes observados en las imágenes del VLA probablemente estén alimentados por radiación de sincrotrón de supernovas y estrellas masivas, lo que confirma de forma independiente la prodigiosa tasa de formación estelar de la galaxia.
El descubrimiento tiene importantes implicaciones para comprender cómo coevolucionan los agujeros negros supermasivos y sus galaxias anfitrionas. Las teorías actuales sugieren que la retroalimentación de los agujeros negros es crucial para regular la formación estelar en galaxias masivas, pero la mayoría de las observaciones se han realizado en sistemas donde este proceso ya está maduro.
«CHIPS 1911+4455 podría representar un ejemplo diferente de cómo se inicia la retroalimentación de los agujeros negros», explicó Ubertosi. «En este caso, no es solo el largo periodo de inactividad del agujero negro lo que desencadena el enfriamiento; el cúmulo también muestra signos de una fusión reciente, que podría haber intensificado el enfriamiento y ayudado a despertar el agujero negro».
El estudio requirió la combinación de observaciones de múltiples instalaciones del NRAO para lograr la sensibilidad y la resolución necesarias para detectar y caracterizar esta joven fuente de radio. El VLBA proporcionó la ultraalta resolución necesaria para medir los diminutos chorros, mientras que el VLA ofreció la sensibilidad necesaria para detectar la débil emisión extendida procedente de la formación estelar.
«Este tipo de descubrimiento demuestra el poder de contar con múltiples radiotelescopios complementarios», afirmó el coautor Marcello Giroletti, del Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF/IRA). «El VLBA nos proporciona la lupa para observar los chorros a escala de pársecs, mientras que el VLA proporciona una visión de gran angular para comprender el contexto más amplio».
Las observaciones abarcaron múltiples bandas de frecuencia, desde 320 MHz hasta 5 GHz, lo que permitió al equipo construir espectros de radio detallados y confirmar la juventud de la fuente de radio.
El equipo planea continuar monitoreando CHIPS 1911+4455 para observar la evolución de este joven agujero negro a lo largo del tiempo. También esperan identificar más sistemas similares para construir una muestra más amplia de cúmulos de prerretroalimentación.
«Este descubrimiento abre una nueva vía para estudiar la retroalimentación de los agujeros negros», afirmó Ubertosi. «En lugar de simplemente observar el resultado final, ahora podemos estudiar el proceso a medida que se desarrolla. Es como tener una máquina del tiempo para ver cómo estos gigantes cósmicos comienzan a moldear sus entornos».
El artículo acaba de publicarse en The Astrophysical Journal. La investigación representa un paso importante hacia la comprensión de uno de los procesos más fundamentales en la evolución de las galaxias: cómo los agujeros negros supermasivos regulan la formación estelar e influyen en el desarrollo de las estructuras más grandes del universo.
Con información de The Astrophyisical Journal
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