Bailando con agujeros negros: el estudio profundo de ALMA de la orquesta estelar de núcleo galáctico activo
Comunicados de Prensa

Bailando con agujeros negros: el estudio profundo de ALMA de la orquesta estelar de núcleo galáctico activo

15 Septiembre, 2023 / Tiempo de lectura: 10 minutes

Artículo científico

Un equipo científico aprovechó el poder de ALMA para desentrañar la intrincada interacción entre los agujeros negros supermasivos y el nacimiento y muerte de estrellas en NGC 1068.

Utilizando el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un equipo de investigación internacional dirigido por Toshiki Saito del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) y Taku Nakajima de la Universidad de Nagoya, Japón, profundizó en los misterios de NGC 1068 (M77), un núcleo galáctico activo a aproximadamente 51,4 millones de años luz de la Tierra, ubicado en la dirección de la constelación de Cetus. El objetivo principal era obtener conocimientos exhaustivos sobre la distribución bidimensional del gas molecular interestelar en la banda de longitud de onda de 3 mm.

Mediante técnicas avanzadas de machine learning 1 el equipo analizó las propiedades químicas del núcleo galáctico activo para decodificar los estados físicos que representan. Su exploración condujo a un descubrimiento notable: un importante flujo de gas molecular, potencialmente generado por un chorro bipolar expulsado de un agujero negro supermasivo en el núcleo de la galaxia. Este flujoparece provenir de una zona de onda de choque donde el chorro interactúa con el disco galáctico, aumentando posteriormente las temperaturas circundantes.

Esta ferviente actividad de chorro cerca del corazón galáctico parece estar reescribiendo el tejido mismo del gas molecular: los componentes básicos de las estrellas. Al hacerlo, podría estar obstaculizando la aparición de nuevas estrellas. Esta revelación ofrece una imagen vívida de la coreografía dinámica en juego en el núcleo de NGC 1068, ofreciendo información valiosa sobre la relación multifacética entre los agujeros negros supermasivos y la evolución de las galaxias.

Muchas galaxias albergan un agujero negro supermasivo activo en su centro. Esta colosal entidad actúa como un motor prodigioso, emitiendo grandes cantidades de energía, dando origen a lo que se denomina Núcleo Galáctico Activo (AGN). Comprender cómo este núcleo galáctico, impulsado por el inmenso agujero negro, influye en el material interestelar vecino, especialmente su papel a la hora de acelerar o impedir la génesis de nuevas estrellas, es fundamental para comprender la evolución de las galaxias. Sin embargo, densas capas de gas y polvo a menudo envuelven las regiones centrales de los AGN, lo que plantea desafíos incluso para los telescopios más potentes en las bandas de longitud de onda óptica e infrarroja. Pero la capacidad de ALMA para observar longitudes de onda más largas, como ondas milimétricas y submilimétricas, que son menos propensas a la absorción por el polvo, le otorga una ventaja comparativa. Esta capacidad permite una mirada sin obstáculos hacia la región interior del núcleo galáctico.

El estudio retoma esfuerzos anteriores para observar la región central de NGC 1068 (M77), especialmente entre 2007 y 2012, cuando utilizaron el radiotelescopio de 45 metros en el Radio Observatorio Nobeyama (NRO) de NAOJ. Si bien esos esfuerzos dieron frutos, revelando la presencia de varias moléculas, no lograron proporcionar una visión granular de la distribución del gas molecular y los matices estructurales que rodean el núcleo central debido a las limitaciones en la resolución espacial.

Ahora, bajo el liderazgo del Profesor Asistente Toshiki Saito del Proyecto ALMA-NAOJ y el Profesor Asistente Taku Nakajima, el colectivo de investigación internacional ha trascendido las limitaciones anteriores al emplear ALMA para un estudio lineal cercano al núcleo central de NGC 1068. Este enfoque, enriquecido por las propiedades inherentes de ALMA, permitió obtener imágenes claras de estructuras clave dentro de la galaxia. Entre las observaciones notables, el equipo realizó con éxito un "estudio de líneas de imagen" que visualizó la distribución de todas las moléculas detectadas sin sesgo de frecuencia.

Las ideas extraídas de este esfuerzo son múltiples. Los investigadores no sólo identificaron 23 líneas de emisión molecular significativas, sino que también observaron marcadas diferencias en la concentración molecular en varias partes de la galaxia. Por ejemplo, mientras que la región interior, directamente bajo la influencia del agujero negro supermasivo, mostraba concentraciones elevadas de ciertas moléculas, otras, que antes se creían abundantes, eran menos frecuentes cuando se observaban a través de la lente de alta resolución de ALMA.

Las observaciones recopiladas a través de este estudio tienen profundas implicaciones. Los patrones sugieren que la influencia del agujero negro calienta el gas molecular a temperaturas elevadas, potencialmente impulsado por ondas de choque. Profundizando en este fenómeno, el equipo descubrió una estructura distinta en la que cierto tipo de gas molecular se expande en dos direcciones. Esta configuración, analizada mediante técnicas de machine learning, se alinea con el chorro bipolar que emerge de un agujero negro supermasivo, como han revelado estudios anteriores.

El impacto de estos chorros y flujos es enorme. Acompañados de poderosas ondas de choque, irradian intensos rayos ultravioleta y rayos X, creando entornos hostiles a las típicas moléculas interestelares, los bloques de construcción estelar por excelencia. Así, la destrucción de estas moléculas cerca del centro galáctico, donde influyen significativamente en la formación de estrellas, podría efectivamente detener el nacimiento de nuevas entidades celestes. Este innovador estudio ofrece el primer argumento respaldado por evidencia química de que el agujero negro supermasivo central de una galaxia podría frustrar su trayectoria evolutiva.

Al reflexionar sobre el proceso que condujo a estos descubrimientos, Toshiki Saito señala: “Al principio, observar moléculas en las proximidades de un chorro de este tipo se consideraba un desafío debido a su destrucción. Sin embargo, gracias a la alta sensibilidad y alta resolución de ALMA y a la técnica ACP 2, detectamos con éxito el flujo de gas molecular asociado con el chorro y dilucidamos sus propiedades químicas. Este descubrimiento que muestra que la actividad del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia obstaculiza su crecimiento es de gran importancia”. Taku Nakajima resume el estudio afirmando: “El uso de la astroquímica para investigar las propiedades de los objetos celestes es un punto fuerte de los grupos de investigación japoneses. Esto marca el primer estudio lineal de imágenes de un AGN que proporciona información sobre el entorno extremo en el centro de la galaxia. Hemos demostrado que la combinación de observaciones lineales con ALMA y análisis de machine learning es muy eficaz para comprender las propiedades físicas y químicas de las galaxias activas”.

Información adicional

Estos trabajos fueron apoyados por las subvenciones de investigación científica NAOJ ALMA n.° 2017-06B, 2018-09B, 2020-15A, 2021-18A y las subvenciones JSPS KAKENHI (JP15K05031, JP17H06130, JP18K13577, JP20H00172, JP20H01951, JP21K03632, JP21K03634, JP21K03547, JP22H04939 ).

Un resultado observacional fue publicado por Saito et al. como “Flujo de gas frío impulsado por AGN de NGC 1068 caracterizado por moléculas sensibles a la disociación” en The Astrophysical Journal el 23 de agosto de 2022 (DOI: 10.3847/1538-4357/ac80ff). Otro o artículo de Nakajima et al. quese titula “Abundancia molecular de la región circunnuclear que rodea un núcleo galáctico activo en NGC 1068 basada en un estudio de líneas de imágenes en la banda de 3 mm con ALMA” publicado el 14 de septiembre en The Astrophysical Journal (DOI: 10.3847/1538-4357/ace4c7).

Este texto está basado en el comunicado de prensa original del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), socio de ALMA en representación de Asia del Este.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación de ESO, la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales (NINS) de Japón en cooperación con la República de Chile. ALMA está financiado por ESO en nombre de sus Estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (NSTC) en Taiwán y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Astronomía y Ciencias Espaciales de Corea (KASI). 

La construcción y las operaciones de ALMA están lideradas por ESO en nombre de sus Estados miembros, por el Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO), administrado por Associated Universities, Inc. (AUI) en nombre de América del Norte, y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia Oriental. El Joint ALMA Observatory (JAO) proporciona el liderazgo unificado y la gestión de la construcción, puesta en marcha y operación de ALMA.

Imágenes

La región central de la galaxia espiral NGC 1068, observada por ALMA y superpuesta a la imagen del Telescopio Espacial Hubble, tiene una distribución fascinante de isótopos de cianuro de hidrógeno (H13CN) que se muestran en amarillo, radicales de cianuro (CN) en rojo e isótopos de monóxido de carbono (13CO) en azul. El H13CN se concentra únicamente en el centro del núcleo galáctico activo. Sin embargo, CN no sólo aparece en el centro y en la estructura de gas en forma de anillo a gran escala, sino que también exhibe una estructura que se extiende desde el centro hacia el noreste (arriba a la izquierda) y el suroeste (abajo a la derecha), lo que se cree que es causado por el chorro que emana del agujero negro supermasivo. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA, T. Nakajima et al.
La región central de la galaxia espiral NGC 1068, observada por ALMA y superpuesta a la imagen del Telescopio Espacial Hubble, tiene una distribución fascinante de isótopos de cianuro de hidrógeno (H13CN) que se muestran en amarillo, radicales de cianuro (CN) en rojo e isótopos de monóxido de carbono (13CO) en azul. El H13CN se concentra únicamente en el centro del núcleo galáctico activo. Sin embargo, CN no sólo aparece en el centro y en la estructura de gas en forma de anillo a gran escala, sino que también exhibe una estructura que se extiende desde el centro hacia el noreste (arriba a la izquierda) y el suroeste (abajo a la derecha), lo que se cree que es causado por el chorro que emana del agujero negro supermasivo. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA, T. Nakajima et al.
Diagrama que ilustra la clasificación de patrones de distribución molecular basada en machine learning. Revela una estructura (en azul) donde un tipo específico de gas molecular se extiende en dos direcciones desde el disco circunnuclear (aproximadamente representado por el punto blanco en el centro) hacia el noreste (arriba a la izquierda) y el suroeste (abajo a la derecha). Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Saito et al.
Diagrama que ilustra la clasificación de patrones de distribución molecular basada en machine learning. Revela una estructura (en azul) donde un tipo específico de gas molecular se extiende en dos direcciones desde el disco circunnuclear (aproximadamente representado por el punto blanco en el centro) hacia el noreste (arriba a la izquierda) y el suroeste (abajo a la derecha). Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Saito et al.
Representación esquemática de la estructura de distribución de gas molecular en la región bipolar, clasificada como distinta del disco circunnuclear mediante aprendizaje automático (el mismo modelo se muestra desde una perspectiva diferente en la Figura 3). Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Saito et al.
Representación esquemática de la estructura de distribución de gas molecular en la región bipolar, clasificada como distinta del disco circunnuclear mediante aprendizaje automático (el mismo modelo se muestra desde una perspectiva diferente en la Figura 3). Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Saito et al.
Diagrama esquemático que ilustra la ubicación del chorro bipolar y el disco galáctico que emanan del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia, junto con la resultante salida de gas molecular desde una vista lateral. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Saito et al.
Diagrama esquemático que ilustra la ubicación del chorro bipolar y el disco galáctico que emanan del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia, junto con la resultante salida de gas molecular desde una vista lateral. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Saito et al.

Notas

  1. El machine learning es un subconjunto de la inteligencia artificial que permite a las computadoras mejorar su rendimiento en una tarea a través de la experiencia. Implica alimentar a los algoritmos con datos y permitirles aprender patrones o hacer predicciones sin ser programados explícitamente para cada resultado específico. ↩︎
  2. El análisis de componentes principales (ACP) es una técnica popular para analizar grandes conjuntos de datos que contienen una gran cantidad de dimensiones/características por observación, lo que aumenta la interpretabilidad de los datos al tiempo que preserva la máxima cantidad de información y permite la visualización de datos multidimensionales. ↩︎

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