Chorros de agujero negro son combustible para formación estelar

14 Febrero, 2017

Un equipo de astrónomos descubrió, gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un sorprendente vínculo entre un agujero negro supermasivo y su galaxia.

Los fuertes chorros de radio emitidos por el agujero negro, que normalmente inhiben la formación de estrellas, están favoreciendo la producción de gas frío en el halo extendido de gas caliente de la galaxia. Esta fuente de gas denso y frío podría estar alimentando el proceso de formación de futuras estrellas, e incluso estar alimentando al propio agujero negro.

Los investigadores usaron ALMA para estudiar una galaxia ubicada en el corazón de cúmulo del Fénix, un grupo de galaxias excepcionalmente numeroso situado a unos 5.700 millones de años luz de la Tierra.

La galaxia observada en el centro de este cúmulo contiene un agujero negro supermasivo que está devorando el gas incubador de estrellas y disparando un par de chorros intensos en direcciones opuestas en el espacio intergaláctico. Los astrónomos llaman a este tipo de sistema núcleo galáctico activo.

Video explicativo de la relación entre un agujero negro supermasivo y su galaxia. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); NRAO/AUI/NSF. Animaciones: NASA/GSFC/CI Lab; ESO. Imágenes científicas: NASA/ESA Hubble; Chandra X-Ray Observatory/NASA/MIT, M. McDonald. Música: Comfortable Mystery 4 – Film Noire por Kevin MacLeod.

Las investigaciones realizadas anteriormente con el Observatorio Chandra de Rayos X de la NASA habían revelado que los chorros de este núcleo galáctico activo están dibujando un par de “burbujas de radio” gigantes, es decir, enormes cavidades en el plasma caliente y difuso que rodea la galaxia.

Imagen compuesta donde se aprecia cómo los potentes chorros de radio del agujero negro supermasivo ubicado en el centro de una galaxia del cúmulo del Fénix inflan enormes “burbujas” en el gas caliente e ionizado que rodea la galaxia (las cavidades dentro de la zona azul captada por el Observatorio Chandra de Rayos X de la NASA). Alrededor de estas burbujas, ALMA descubrió una inesperada reserva de gas frío, el alimento de los procesos de formación estelar (en rojo). La imagen de fondo es del telescopio espacial Hubble. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/H. Russell et al.; NASA/ESA Hubble; NASA/CXC/MIT/M.McDonald et al.; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF). | Descargar imagen

Está burbujas en expansión debieran crear condiciones muy inhóspitas para que el gas caliente que lo rodea se enfríe y condense, etapas esenciales para la formación estelar futura.

Imagen de gas molecular frío en el corazón del cúmulo del Fénix tomada por ALMA. Los filamentos que se extienden desde el centro abrazan enormes burbujas de radio producidas por los chorros de un agujero negro supermasivo. El hallazgo ayuda a entender mejor la compleja relación entre un agujero negro supermasivo y su galaxia anfitriona. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), H. Russell et al.; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF). | Descargar imagen

Sin embargo, las observaciones más recientes realizadas con ALMA revelaron la existencia de filamentos de gas molecular frío condensándose alrededor de los bordes externos de las burbujas de radio. Estos filamentos se extienden por hasta 82.000 años luz a ambos lados del núcleo galáctico activo. En total contienen suficiente material para fabricar unos 10.000 millones de soles.

Interpretación artística de galaxia en el centro del Cúmulo del Fénix. Poderosos chorros de radio expulsados desde el agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia crean burbujas gigantes (en azul) en el gas ionizado que la rodea. ALMA detectó gas molecular frío (en rojo) abrazando el exterior de las burbujas. Este podría eventualmente volver a caer hacia dentro de la galaxia y servir de combustible para nuevas generaciones estelares y/o continuar alimentando el agujero negro supermasivo. Crédito: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF). | Descargar imagen

“Con ALMA podemos ver que hay un vínculo directo entre estas burbujas de radio infladas por el agujero negro supermasivo y el combustible que alimentará el crecimiento de la galaxia”, afirma Helen Russell, astrónoma de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) y autora principal de un artículo publicado en The Astrophysical Journal. “Esto aporta nuevos datos sobre cómo un agujero negro puede regular el nacimiento de estrellas y cómo una galaxia puede obtener material adicional para alimentar un agujero negro activo”.

Vínculo entre el núcleo galáctico activo y el crecimiento galáctico

Las nuevas observaciones de ALMA revelaron vínculos hasta entonces desconocidos entre el núcleo galáctico activo y la abundancia de gas molecular frío que alimenta los procesos de formación de estrellas.

“Para producir estos potentes chorros, los agujeros negros deben alimentarse del mismo material usado por las galaxias para formar nuevas estrellas”, señala Michael McDonald, astrofísico del Instituto de Tecnología de Massachusetts (Cambridge, EE. UU.) y coautor del artículo. “Este material alimenta los chorros que perturban la región e inhibe la formación estelar. Esto muestra cómo los agujeros negros pueden reducir la velocidad de crecimiento de su galaxia anfitriona”.

Sin una fuente de calor considerable, las galaxias más grandes del Universo formarían estrellas a velocidades extremas, mucho más rápidas que las observadas. Los astrónomos creen que el calor emitido en forma de radiación y chorros por un agujero negro supermasivo que se alimenta de materia impide el sobreenfriamiento de la atmósfera de gas caliente del cúmulo y, de esa forma, inhibe la formación de estrellas.

Sin embargo, esta teoría ahora pasó a ser un poco más compleja. En el cúmulo del Fénix, Russell y su equipo observaron un proceso adicional que vincula a la galaxia con su agujero negro. Los chorros de radio que calientan la atmósfera del cúmulo también parecen estimular la producción del gas frío necesario para sustentar el núcleo galáctico activo.

“Por eso este resultado es tan sorprendente”, explica Brian McNamara, astrónomo de la Universidad de Waterloo (Ontario, Canadá) y coautor del artículo. “Este agujero negro supermasivo regula el crecimiento de la galaxia haciendo burbujas y calentando los gases que la rodean. Y como si fuera poco, también enfría gas suficiente para alimentarse”.

Este resultado ayuda a los astrónomos a entender el funcionamiento del “termostato” cósmico que controla la emisión de chorros de radio en los agujeros negros supermasivos.

“Esto también podría explicar cómo los agujeros negros más masivos pudieron inhibir brotes de formación estelar vertiginosos y al mismo tiempo regular el crecimiento de su galaxia anfitriona durante los últimos 6.000 millones de años, aproximadamente, de historia cósmica”, observa Russell.

Información adicional

Este hallazgo se presentó en un artículo titulado “ALMA observations of massive molecular gas filaments encasing radio bubbles in the Phoenix Cluster” (‘Observaciones realizadas con ALMA de filamentos masivos de gas molecular alrededor de burbujas de radio en el cúmulo del Fénix’), de H. R. Russell et al., publicado en The Astrophysical Journal [http://apj.aas.org].

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 Consejo Nacional de Ciencia de Taiwán (NSC), 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.