Agujero negro se esconde detrás de sus propias emisiones

15 septiembre, 2016

Artículo Científico Publicación de ALMA Kids

Los centros de las galaxias albergan agujeros negros supermasivos, de entre millones y miles de millones de masas solares. Muchos de estos mastodontes galácticos están escondidos dentro de espesos anillos de polvo y gas conocidos como toroides. En observaciones anteriores se determinó que estas estructuras ocultas, con forma de neumático, se forman a partir de material presente en el centro de la galaxia.

No obstante, el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) arrojó nuevos datos que dejaron entrever que el agujero negro en el centro de la galaxia NGC 1068 en realidad es la fuente de su propio toroide de polvo y gas, compuesto de material expulsado del disco de acreción del propio agujero negro.

Esta fuente cósmica de polvo y gas frío recién descubierta podría echar nuevas luces sobre la forma en que los agujeros negros inciden en su galaxia y, posiblemente, en el medio intergaláctico.

“Pensemos en el agujero negro como un motor. Su combustible es el material que fluye hacia él desde un disco plano de polvo y gas”, explica Jack Gallimore, astrónomo de la Universidad Bucknell, en Lewisburg (Pennsylvania, EE.UU.), y autor principal de un artículo publicado en The Astrophysical Journal Letters. “Al igual que cualquier motor, un agujero negro también emite gases”. Y esos gases, según descubrieron los astrónomos, es la fuente probable del toroide que oscurece la zona alrededor del agujero negro supermasivo de la galaxia e impide que este sea visto por los telescopios ópticos.

NGC 1068 (también conocida como Messier 77) es una galaxia espiral barrada situada a unos 47 millones de años luz de la Tierra, en dirección de la constelación de Cetus (también conocida como la Ballena). En su centro hay un núcleo galáctico activo, un agujero negro supermasivo que está siendo alimentado por un delgado disco giratorio de polvo y gas, conocido como disco de acreción. A medida que el disco fluye en espiral hacia el agujero negro, el material que lo compone se vuelve extremadamente caliente y emite una intensa radiación ultravioleta. Sin embargo, las zonas externas del disco se mantienen considerablemente más frías y emiten un brillo más visible, en longitudes de onda infrarrojas y milimétricas, que ALMA puede detectar.


Representación artística del corazón de la galaxia NGC 1068, que alberga un agujero negro supermasivo activo. ALMA descubrió nubes frías de gas molecular y polvo saliendo de la parte exterior del disco de acreción del agujero negro. Este material está siendo acelerado por campos magnéticos del disco y alcanzando velocidades de unos 400 a 800 kilómetros por segundo. Este material es expulsado por el disco e impide a los telescopios ópticos de la Tierra ver la zona alrededor del agujero negro. En resumen, en agujero negro se esconde detrás de los propios gases que emite. Créditos: NRAO/AUI/NSF; D. Berry / Skyworks | Descargar imagen

Un equipo internacional de astrónomos usó ALMA para escudriñar la zona y descubrió un puñado de nubes frías de monóxido de carbono desprendiéndose de la parte externa del disco de acreción. La energía caliente de la parte interna del disco ioniza parcialmente estas nubes y, de esa forma, les permite adherirse a intensas líneas de fuerza que rodean el disco.

Al igual que el agua arrojada rápidamente por un aspersor giratorio de jardín, las nubes que emanan del disco de acreción se aceleran por el efecto centrífugo siguiendo las líneas del campo magnético hasta alcanzar altísimas velocidades, de 400 a 800 kilómetros por segundo, es decir, hasta casi tres veces más rápido que la velocidad de rotación del disco de acreción exterior, suficiente para lanzar las nubes bien lejos en la galaxia.


Imagen de la zona central de la galaxia NGC 1068 generada por ALMA. El toroide de material que oculta el agujero negro supermasivo está destacado en el recuadro. Esta área, de una extensión de aproximadamente 40 años luz, contiene material expulsado por el disco de acreción del agujero negro. Los colores de esta imagen corresponden al movimiento del gas: el material representado en azul se desplaza hacia nosotros, mientras que lo que aparece en rojo se aleja. Las áreas verdes se desplazan a baja velocidad y giran alrededor del agujero negro. La zona blanca en el centro significa que el gas se acerca y se aleja al mismo tiempo a gran velocidad, como se aprecia en la representación artística. La parte externa del anillo no está relacionada con el agujero negro, sino que corresponde a la estructura de los mil años luz centrales de la galaxia. Credit: Gallimore et. al; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); B. Saxton (NRAO/AUI/NSF) | Descargar imagen

“Estas nubes se desplazan tan rápido que alcanzan la ‘velocidad de escape’ y son lanzadas describiendo una forma de cono a ambos lados del disco”, señala Gallimore. “Con ALMA, por primera vez podemos ver que es el gas expulsado el que esconde al agujero negro, no el gas que entra”. Esto indica que la teoría general sobre los agujeros negros activos es demasiado simplista, concluye el científico.

En el futuro, los astrónomos esperan usar ALMA para determinar el consumo del agujero negro, es decir, cuánta masa absorbe y cuánto gas desecha.

“Estos son datos fundamentales para entender el funcionamiento de agujeros negros sobre los cuales poco sabemos por ahora”, concluye Gallimore.

Información adicional

Esta investigación se detalla en el artículo titulado “High-velocity bipolar molecular emission from an AGN torus” (‘Emisión molecular bipolar de alta velocidad en el toroide de un núcleo galáctico activo’), de Gallimore et al., publicado en The Astrophysical Journal Letters el 15 de septiembre de 2016. [Versión manuscrita disponible en http://arxiv.org/pdf/1608.02210v1.pdf]

El equipo está compuesto por Jack Gallimore (Universidad Bucknell, Lewisburg, Pennsylvania), Moshe Elitzur (Universidad de California, Berkeley), Roberto Maiolino (Universidad de Cambridge, R. U.), Alessandro Marconi (Universidad de Florencia, Italia), Christopher P. O’Dea (Universidad de Manitoba, Winnipeg, Canadá), Dieter Lutz (Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, Garching, Alemania), Stefi A. Baum, Universidad de Manitoba, Winnipeg, Canadá), Robert Nikutta (Universidad Católica de Chile, Santiago), C. M. V. Impellizzeri (Joint ALMA Observatory, Santiago, Chile), Richard Davies (Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, Garching, Alemania), Amy E. Kimball (Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos, Socorro, Nuevo México), Eleonora Sani (Observatorio Europeo Austral, Santiago, Chile).

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.