Proponen un mecanismo universal de eyección de la materia desde los agujeros negros

Es un proceso que se produce en las galaxias de núcleos activos. La nube de gas molecular que se acumula en la zona central es soplada por la radiación proveniente del disco de acreción del agujero negro y forma una enorme burbuja caliente en expansión que llega a radios de hasta 300 años luz

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Los agujeros negros pueden expulsar mil veces más materia que la que capturan. El mecanismo que rige tanto la expulsión como la captura es el “disco de acreción”, constituido por una gran cantidad de gas y polvo que gira en espiral alrededor del agujero negro a velocidades extremadamente elevadas, se calienta y emite luz y otras formas de radiación electromagnética. Una parte de ese material en movimiento orbital es arrastrada en dirección al centro y desaparece detrás del denominado “horizonte de eventos”, la frontera a partir de la cual ni la materia ni la luz logran escapar. Otra parte, mucho mayor, es expelida hacia fuera y arrojada lejos debido a la propia presión de la radiación que emite el disco.

Se estima que todas las galaxias poseen un agujero negro supermasivo en sus centros. Pero no todas tienen –o no todas aún tienen– discos de acreción. A aquellas que los poseen se las denomina galaxias de núcleos activos. El modelo tradicional distingue dos etapas en el material acumulado en el área central de las galaxias de núcleos activos: una parte formada por gas ionizado a alta velocidad, compuesta por el material eyectado por el núcleo (outflow), y una parte formada por moléculas a una velocidad menor que puede alimentar al núcleo.

Ahora, el investigador Daniel May, quien lleva adelante un posdoctorado en el Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP), en Brasil, ha postulado un nuevo modelo, que integra ambas etapas en un mismo escenario. “Verificamos que la etapa molecular, que parece tener una dinámica completamente distinta a la de la fase ionizada, también forma parte del outflow. Esto significa que hay mucha más materia que está soplándose hacia lejos desde el centro. Y que el núcleo activo cumple un papel mucho más importante en la estructuración de la galaxia en general”, dice May en declaraciones concedidas a Agência FAPESP.

Este estudio, publicado por May y sus colaboradores en el periódico Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, contó con el apoyo de la FAPESP en concepto de becas de doctorado y posdoctorado otorgadas al investigador. João Steiner, profesor titular del IAG-USP, quien también firma el artículo, fue el director de su tesis doctoral y es el supervisor del posdoctorado de May.

El investigador detectó este patrón con base en el estudio de dos galaxias de núcleos activos: NGC 1068, a la que investigó en el año 2017, y NGC 4151, investigada ahora en 2020. Las siglas NGC hacen referencia al New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars (Nuevo Catálogo General de Nebulosas y Cúmulos de Estrellas), consolidado en las postrimerías del siglo XIX. “Mediante la aplicación de una metodología de tratamiento de imágenes sumamente meticulosa, detectamos el mismo patrón en dos galaxias bastante distintas. Hoy en día, a la mayoría de los astrónomos les interesa estudiar muestras muy grandes de datos. Nuestro trabajo siguió el camino inverso. Investigamos en forma cuasi artesanal las características individuales de esos dos objetos”, comenta May.

“Nuestro estudio sugiere que de entrada una nube de gas molecular colapsa en la zona central de la galaxia y activa su núcleo formando el disco de acreción. Los fotones que emite el disco, donde la temperatura llega a ser del orden del millón de grados, empujan en buena medida al gas hacia fuera y lejos, mientras que una parte menor se incorpora al propio disco y eventualmente se sumerge en el agujero negro. A medida que esa nube es soplada por el disco, se forman dos etapas distintas: una ionizada, debido a la exposición al disco, y una molecular, que se ubica a la sombra de su radiación. Lo que descubrimos fue que la parte molecular está totalmente vinculada a la parte ionizada que componte u outflow. Logramos relacionar ambas fases del gas, que antes se concebían como desconectadas, y encajar sus morfologías en un mismo escenario”, resume el investigador.

May explica que el gas ionizado surge de la fragmentación de ese gas molecular. Mientras se fragmenta, va siendo empujado hacia fuera y formando una burbuja caliente en expansión, que alcanza radios del orden de los 300 años luz. A modo de comparación, cabe recordar que ese radio es casi 70 veces mayor que la distancia de la Tierra a Proxima Centauri, la estrella ubicada más cerca del Sistema Solar.

“Cuando observamos la zona central de estas dos galaxias, oteamos esa enorme burbuja de perfil, delineada por sus paredes de moléculas. Vemos esas paredes fragmentándose y el gas ionizado que es empujado hacia fuera. El disco de acreción aparece como un punto extremadamente brillante. Pero toda la información que nos llega de él cabe dentro de un píxel, de manera tal que no contamos con la resolución suficiente como para diferenciar sus posibles partes. El agujero negro se conoce únicamente a través de sus efectos”, informa el investigador. 

May remarca que en el Universo primordial había mucho más gas disponible, de manera tal que el efecto de un proceso como el que él describió era mucho más intenso. Lo que el investigador observó en galaxias relativamente cercanas como NGC 1068 y NGC 4151 es una forma blanda de lo que sucedió en galaxias muy lejanas, cuyos núcleos activos en el pasado remoto se detectan actualmente bajo la forma de cuásares.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado The nuclear architecture of NGC 4151: on the path toward a universal outflow mechanism in light of NGC 1068 en el siguiente enlace: academic.oup.com/mnras/article-abstract/496/2/1488/5851281?redirectedFrom=fulltext#205434907.