ALMA profundiza el misterio sobre la relación entre agujeros negros supermasivos y sus galaxias anfitrionas

20 febrero, 2018

Artículo Científico

Tras usar el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para observar una galaxia activa que despide un fuerte chorro de gas ionizado de su centro, un equipo de astrónomos obtuvo resultados intrigantes: detectaron indicios fehacientes de la presencia de gas de monóxido de carbono (CO) en el disco galáctico. Sin embargo, también descubrieron que el CO que se asienta en la galaxia no se ve afectado por el chorro de gas ionizado.

Según un modelo muy difundido que explica la formación y evolución de las galaxias y los agujeros negros supermasivos, la radiación emitida por los centros de las galaxias, donde se encuentran los agujeros negros supermasivos, podría incidir considerablemente en la presencia de gas molecular (como el CO) y las actividades de formación estelar en las galaxias.

Los resultados de ALMA, sin embargo, muestran que el chorro de gas ionizado proveniente del agujero negro supermasivo no afecta necesariamente la galaxia que lo alberga. “La coevolución de las galaxias y los agujeros negros supermasivos pasó a ser aún más intrigante con este resultado”, afirma el Dr. Yoshiki Toba, del Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sinica (ASIAA, Taiwán), quien encabezó la investigación. “El próximo paso es buscar más datos sobre este tipo de galaxia. Será crucial para entender a cabalidad la formación y evolución de galaxias y agujeros negros supermasivos”.

Uno de los principales desafíos de la astronomía moderna ha sido entender cómo se formaron y evolucionaron las galaxias durante los 13.800 millones de años de vida que tiene el Universo. Los estudios realizados a la fecha ya revelaron que casi todas las galaxias masivas encierran un agujero negro supermasivo en el centro. Y los últimos hallazgos revelaron la existencia de una estrecha correlación entre la masa del agujero negro y la de su galaxia. De esa correlación se deduce que los agujeros negros supermasivos y las galaxias que los albergan evolucionaron juntos e interactuaron, un fenómeno conocido como coevolución.

El chorro de gas proveniente de un agujero negro supermasivo empezó a llamar la atención recientemente debido a la posibilidad de que tuviera un papel clave en la coevolución. Hay un amplio consenso en torno a la teoría de que la intensa radiación emanada del centro de la galaxia, donde se encuentra el agujero negro supermasivo, ioniza [1] el gas circundante e incluso afecta el gas molecular a partir del cual se forman estrellas. Así, la intensa radiación activaría [2] o inhibiría [3] la formación de estrellas en las galaxias. Dicho esto, “los astrónomos no entienden la verdadera relación entre la actividad de los agujeros negros supermasivos y la formación de estrellas en las galaxias”, señala Tohru Nagao, profesor de la Universidad de Ehime. “Por eso, muchos astrónomos –incluidos nosotros – quieren observar la escena real de interacción entre el chorro nuclear y las actividades de formación estelar para resolver el misterio de la coevolución”.

El equipo estudió un tipo específico de objeto, conocido como galaxia oscurecida por el polvo, que tiene un rasgo distintivo: en vez de ser muy tenue en la luz visible, es muy brillante en el espectro infrarrojo.

Imagen 1: imagen de la galaxia WISE1029, oscurecida por el polvo. A la izquierda se ve una imagen óptica del Sloan Digital Sky Survey (SDSS) y a la derecha una imagen en infrarrojo medio del WISE. La imagen representa 30 arcosegundos cuadrados (1 arcosegundo equivale a 1/3.600 grados). Se ve claramente que las galaxias oscurecidas por el polvo son tenues en el espectro óptico pero increíblemente brillantes en el infrarrojo. El espectro del SDSS indica la presencia de un intenso chorro de gas ionizado que emana de WISE1029. Créditos: Sloan Digital Sky Survey/NASA/JPL-Caltech

Imagen 1: imagen de la galaxia WISE1029 oscurecida por el polvo. A la izquierda se ve una imagen óptica del Sloan Digital Sky Survey (SDSS) y a la derecha una imagen en infrarrojo medio del WISE. La imagen representa 30 arcosegundos cuadrados (1 arcosegundo equivale a 1/3.600 grados). Se ve claramente que las galaxias oscurecidas por el polvo son tenues en el espectro óptico pero increíblemente brillantes en el infrarrojo. El espectro del SDSS indica la presencia de un intenso chorro de gas ionizado que emana de WISE1029. Créditos: Sloan Digital Sky Survey/NASA/JPL-Caltech

Los astrónomos creen que las galaxias oscurecidas por polvo albergan agujeros negros supermasivos en constante crecimiento en sus núcleos [4]. En particular, WISE1029 (o WISE1029+0501) despide un chorro de gas ionizado por la intensa radiación de su agujero negro supermasivo. WISE1029 es conocida por ser un caso extremo, lo cual ha motivado a los investigadores a estudiar su gas molecular.

Gracias a la sensibilidad de ALMA, ideal para estudiar las propiedades del gas molecular y de los procesos de formación estelar de las galaxias, los astrónomos basaron su investigación en la observación del CO y el polvo frío de la galaxia WISE1029 (imagen 2). Tras un análisis detallado, para su sorpresa no detectaron cantidades significativas de gas molecular. Por lo demás, tampoco se detectó la activación ni la supresión de actividades de formación estelar. Esto significa que el fuerte chorro de gas ionizado que sale del agujero negro supermasivo de WISE1029 no afecta mucho ni al gas molecular circundante ni al proceso de formación estelar.

Imagen 2: emisión del monóxido de carbono (izquierda) y emisión del polvo frío (derecha) en WISE1029 observadas con ALMA. La imagen representa 3 arcosegundos cuadrados. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Toba et al.

Imagen 2: emisión del monóxido de carbono (izquierda) y emisión del polvo frío (derecha) en WISE1029 observadas con ALMA. La imagen representa 3 arcosegundos cuadrados. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Toba et al.

En muchos estudios anteriores se había observado que el chorro de gas ionizado generado por el poder de acreción de un agujero negro supermasivo tenía un gran impacto en el gas molecular circundante (véanse las notas 2 y 3). Sin embargo, existen casos poco frecuentes como éste, donde no hay una interacción cercana entre el gas ionizado y el gas molecular. Los resultados obtenidos por Yoshiki y su equipo indican que la radiación de un agujero negro supermasivo no siempre afectan el gas molecular y la formación de estrellas en la galaxia que lo alberga.

Imagen 3: representación artística donde se aprecia que el chorro de gas ionizado (verde) emanado del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia no afecta el proceso de formación estelar. Esto puede suceder cuando el chorro de gas ionizado es perpendicular a la nube de gas molecular. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Imagen 3: representación artística donde se aprecia que el chorro de gas ionizado (verde) emanado del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia no afecta el proceso de formación estelar. Esto puede suceder cuando el chorro de gas ionizado es perpendicular a la nube de gas molecular. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Aunque sus hallazgos por ahora suscitan nuevas interrogantes sobre la coevolución de las galaxias y los agujeros negros supermasivos, Yoshiki y sus colegas esperan algún día poder dilucidar el misterio. “Entender esta coevolución es fundamental para la astronomía. Con ALMA esperamos seguir recabando datos estadísticos sobre este tipo de galaxias y realizar más observaciones para revelar la verdad”, comenta el astrónomo.

Notas

[1] Fenómeno donde las radiaciones ultravioletas y de rayos X generan un estado de plasma neutro.

[2] Véase el comunicado de ALMA titulado “Chorros de agujero negro son combustible para formación estelar”, del 14 de febrero de 2017.

[3] Véase el comunicado de ALMA titulado “Caótica turbulencia agita a la ‘galaxia más luminosa’ del Universo”, del 18 de febrero de 2016.

[4] Véase el comunicado de prensa del telescopio Subaru titulado “Discovering Dust-Obscured Active Galaxies as They Grow” (‘Descubrimiento de galaxias activas oscurecidas por polvo en crecimiento’), del 26 de agosto de 2015.

Información adicional

Los resultados de esta observación se consignaron en el artículo de Toba et al. titulado “No sign of strong molecular gas outflow in an infrared-bright dust-obscured galaxy with strong ionized-gas outflow” (‘Ninguna señal de fuerte chorro de gas molecular en galaxia oscurecida por polvo y brillante en el espectro infrarrojo con fuerte chorro de gas ionizado’), publicado en The Astrophysical Journal en diciembre de 2017.

Esta investigación fue realizada por:

Yoshiki Toba (Academia Sinica), Shinya Komugi (Universidad Kogakuin), Tohru Nagao (Universidad de Ehime), Takuji Yamashita (Universidad de Ehime), Wei-Hao Wang (Academia Sinica), Masatoshi Imanishi (Observatorio Astronómico Nacional de Japón), Ai-Lei Sun (Academia Sinica, ahora Universidad Johns Hopkins).

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.