Estructuras en forma de barra alimentan agujeros negros en el centro de galaxias análogas a la Vía Láctea

Esas “barras” constituyen enormes conjuntos de estrellas generados por inestabilidades gravitatorias. Un estudio aporta nuevos insights sobre los procesos inherentes a la formación estelar y a la evolución galáctica

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Con una edad estimada en 13.000 millones de años y una masa total equivalente a alrededor de 60.000 millones de masas solares, la Vía Láctea, nuestra galaxia, alberga en su centro un agujero negro supermasivo del orden de los 4.000.000 de masas solares. Como el observador terrestre y el núcleo de la Vía Láctea se encuentran en el mismo plano –el plano galáctico–, el acceso óptico al mismo se ve impedido por enormes nubes de gas y polvo que se interponen en el camino y bloquean la luz visible. Pero se han concretado observaciones en determinadas longitudes de ondas (como las de los rayos X, el radio o el infrarrojo) capaces de atravesar la barrera de materia. Una vía complementaria consiste en estudiar galaxias similares a la Vía Láctea para entender el papel de sus estructuras centrales en la alimentación de los agujeros negros supermasivos y en la formación estelar.

Éste fue el foco de un estudio a cargo de la astrónoma Patrícia da Silva en el Observatoire de Paris, en Francia, realizado con una beca de Pasantía de Investigación en el Exterior de la FAPESP. Los resultados se publicaron en el periódico Astronomy & Astrophysics.

Da Silva lleva adelante un posdoctorado en el Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP), en Brasil. El aludido artículo lleva su firma y la de su supervisora en el exterior, Françoise Combes, del Observatoire de Paris y del Collège de France.

“Investigamos de qué manera las ‘barras’ y los ‘brazos espirales’ existentes en las galaxias influyen sobre el movimiento del gas rumbo al centro, en donde éste puede alimentar a los agujeros negros supermasivos y desencadenar brotes de formaciones estelares”, comenta Da Silva. La científica explica que las “barras” y los “brazos espirales” son enormes estructuras compuestas por estrellas y gas. El proceso de formación de las barras es significativamente complejo y es producto de inestabilidades gravitacionales que ocurren en los discos de las galaxias y hacen que las estrellas y el gas se distribuyan en una estructura oblonga. Las barras se hacen presentes en alrededor de las dos terceras partes de todas las galaxias espirales del universo local, y entre ellas en la Vía Láctea.

“Este proyecto en el exterior se engendró en un trabajo mayor que fue el objeto de mi posdoctorado, que apunta a estudiar los núcleos de galaxias similares a la Vía Láctea con o sin barras. A su vez, ese proyecto madre se valió de datos de un gran survey llamado DIVING 3D, Deep IFS View of Nuclei of Galaxies, cuyo objetivo es estudiar las regiones centrales de todas las galaxias del hemisferio sur en una determinada franja de brillo y de coordenadas. La muestra del survey es de 170 galaxias. De éstas, 15 son gemelas morfológicas de la vía Láctea (Milky Way Morphological Twins – MWMT), galaxias intermedias con barras que poseen los tipos morfológicos SABbc y SBbc; y ocho son Sbc, galaxias análogas a la nuestra, pero sin barras. Esas 23 constituyen mis objetos de interés. Para estudiar la dinámica del gas en ese contexto, aparte del DIVING 3D, recurrí a datos del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma), del Hubble Space Telescope y del Legacy Survey. En función de los datos disponibles, tuve que enfocarme en diez galaxias: ocho MWMT y dos Sbc”, comenta Da Silva.

Según la investigadora, uno de los diversos objetivos del proyecto madre consiste en comparar las muestras de MWMT y de Sbc para descubrir si existe alguna influencia de las barras en las emisiones de la región nuclear y circumnuclear. “Al estudiar la emisión nuclear y circumnuclear de las MWMT, notamos que existe una gran variedad de estructuras, lo que comprende anillos circumnucleares y espirales nucleares que conectan a la galaxia con su núcleo. A partir de ello, surgió la idea de analizar la influencia de la barra en el contexto del transporte de gas hacia la región nuclear. ¿En qué nivel las barras son responsables de la formación de las estructuras que observamos? ¿Las barras serían también responsables del abastecimiento directo de gas a los núcleos, lo que dota de actividad a los agujeros negros supermasivos que allí residen, es decir que generan AGN [del inglés Active Galactic Nucleus o Núcleos Activos de Galaxias]? Fue de este modo que nació el proyecto hijo, que llevé a cabo en mi investigación en el exterior”, informa Da Silva.

Uno de los principales objetivos consistió en cuantificar la eficiencia de las barras en el transporte de gas a diferentes escalas, de centenas a miles de pársecs. Cabe recordar que cada pársec (cuyo símbolo es pc) vale alrededor de 3,26 años luz, es decir, casi 31 billones de kilómetros.

“Las barras son estructuras estelares oblongas que crean áreas de resonancia gravitatoria donde el gas en rotación es transportado rumbo al núcleo o hacia los bordes de la galaxia, dependiendo del torque o momento gravitacional que se ejerce sobre éste. En galaxias barradas de los tipos SABbc y SBbc, esos momentos de fuerza son predominantemente negativos, lo que resulta en la pérdida de momento angular del gas y, por ende, en su movimiento en dirección al centro galáctico. Esos flujos de gas pueden alimentar al agujero negro supermasivo y desencadenar actividades de formación estelar”, describe Da Silva.

En las galaxias barradas de la muestra, se observó que los torques negativos dominan en la zona situada entre la barra y los anillos circumnucleares (alrededor de 300 pársecs), lo que facilita el transporte de gas hacia esas regiones y contribuye a la formación de nuevas estrellas. No obstante, se sabe que dentro de los anillos circumnucleares los torques tienden a invertirse y a volverse positivos, lo que interrumpe el flujo de gas hacia el núcleo. La presencia de agujeros negros supermasivos activos (AGN) puede generar nuevas resonancias y producir más estructuras hasta el agujero negro supermasivo, conectarlo con las demás estructuras a gran escala de la galaxia y permitir el suministro continuo de gas hacia el núcleo galáctico.

“Mientras que las galaxias con barras exhiben un patrón claro de transporte de gas hacia el centro, las galaxias sin barras [Sbc] muestran distintas dinámicas. En esos casos, el gas es transportado hacia los bordes de la galaxia a causa de los momentos de fuerza positivos predominantes. Esto sugiere que en las galaxias sin barras otros mecanismos, como la interacción gravitacional de los brazos espirales, tendrían su papel en el transporte de gas hacia el núcleo, de haberlo”, informa Da Silva.

Uno de los aspectos más relevantes de este estudio fue el impacto que tienen los torques gravitacionales en la formación de las estructuras circumnucleares, tales como los anillos y los espirales nucleares. Estas estructuras son fundamentales para entender de qué manera se redistribuye el gas a escalas menores dentro de la galaxia. Los anillos circumnucleares son sitios de intensa formación estelar, alimentados por la compresión del gas a medida que el mismo se acumula en áreas de resonancia gravitatoria. En tanto, los brazos espirales nucleares (en algunos casos conectados a estos anillos circumnucleares) pueden cumplir un rol esencial en el transporte continuo de gas hacia el núcleo, alimentando al agujero negro supermasivo y manteniendo núcleos activos de galaxia (AGN).

Da Silva añade: “En galaxias carentes de barras, los torques gravitacionales son menos eficientes en el transporte de gas en dirección hacia el centro. Esas galaxias están analizándose en estos momentos en el Survey DIVING 3D. Estamos investigando las principales características de sus áreas nucleares para compararlas con las MWMT y relacionar la ausencia de la barra en esos escenarios”.

Un ingrediente fundamental en la evolución de las galaxias es el transporte del gas hacia los centros galácticos y la alimentación de los agujeros negros supermasivos. Esos cuerpos extremadamente densos, presentes en casi todas las galaxias, regulan la cantidad de gas disponible en las regiones centrales e influyen en la formación estelar a su alrededor. Los datos analizados en el estudio muestran que las barras facilitan el transporte hacia la región central. “No obstante, a medida que el gas se acerca al núcleo, nuevos mecanismos entrarían en acción para que éste siga precipitándose rumbo al agujero negro supermasivo. Las observaciones de alta resolución revelaron que a escalas de aproximadamente 10 pársecs las barras nucleares menores pueden cumplir ese papel, canalizando el gas directamente hacia el centro”, informa Da Silva.

Si bien el estudio ha generado avances significativos en la comprensión de los torques o momentos gravitacionales y su influencia en el transporte del gas, hay aún muchas cuestiones abiertas. Una de las limitaciones que las investigadoras afrontaron fue la resolución espacial disponible en los datos, que impidió la concreción de un análisis más detallado a escalas menores, como la de 10 pársecs. Da Silva remarca que serán necesarios futuros estudios con imágenes de mayor resolución para entender completamente de qué manera se canaliza el gas hacia el agujero negro supermasivo y cómo afecta este proceso la evolución a largo plazo de las galaxias. Asimismo, el estudio sugiere que la fuerza de las barras no es una característica permanente y varía en el transcurso de miles de millones de años. Factores tales como la presencia de gas en el disco galáctico y las interacciones gravitatorias pueden influir sobre la longevidad de las barras, lo que hace del transporte de gas un proceso dinámico y complejo.

“Al entender mejor de qué manera se distribuye el gas en galaxias gemelas con relación a la vía Láctea, podemos obtener nuevos insights sobre la evolución de nuestra propia galaxia y el rol que cumple el agujero negro supermasivo central en ese proceso. Nuestra investigación suministra una base sólida para futuras investigaciones”, culmina diciendo Da Silva.

Puede accederse a la lectura del artículo Multiple-scale gas infall through gravity torques on Milky Way twins en el siguiente enlace: www.aanda.org/component/article?access=doi&doi=10.1051/0004-6361/202450500.