ALMA revela proceso de reciclaje de gas cerca de un agujero negro supermasivo

2 Noviembre, 2023 / Tiempo de lectura: 11 minutes

Un equipo científico internacional hizo un importante hallazgo tras observar con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) el núcleo galáctico activo de la galaxia Circinus. El estudio, realizado a una resolución sin precedentes de cerca de 1 año luz, fue dirigida por Takuma Izumi, profesor asistente del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), y permitió revelar una intrincada danza de flujos de gas alrededor del agujero negro supermasivo de la galaxia, en la que intervienen fases de plasma, atómicas y moleculares. Además, el equipo logró observar en detalle el flujo de acreción que alimenta el agujero negro, impulsado por un mecanismo conocido como inestabilidad gravitacional, y descubrió, para su sorpresa, que no todo ese gas contribuye al crecimiento del agujero negro. En efecto, una parte significativa es expulsada en chorros moleculares o atómicos para luego regresar y ser nuevamente atraída hacia el agujero negro, en un ciclo continuo similar al de una fuente de agua. Este increíble hallazgo traza un nuevo camino hacia una comprensión exhaustiva de las dinámicas de crecimiento de los agujeros negros supermasivos.

En los centros de muchas galaxias masivas hay agujeros negros supermasivos, con masas que pueden superar en 1 millón de veces la masa del Sol. ¿Cómo se forman estos agujeros negros supermasivos? Uno de los mecanismos más importantes detectados en investigaciones anteriores es la acreción de gas, un fenómeno en que el gas de la galaxia anfitriona fluye hacia el agujero negro hospedado en su centro.

El gas que se acumula muy cerca de un agujero negro supermasivo alcanza grandes velocidades al ser atraído por la gravedad del astro. La intensa fricción entre las partículas de gas hace que el gas se caliente hasta alcanzar varios millones de grados y emita una luz brillante. Este fenómeno se conoce como núcleo galáctico activo, y su brillo puede llegar a superar el de todas las estrellas de la galaxia juntas. Lo curioso es que parte del gas que fluye hacia el agujero negro (el flujo de acreción) pareciera ser expulsado en un intenso chorro por efecto de la enorme energía generada por este núcleo galáctico activo.

Tanto los estudios teóricos como las observaciones realizadas a la fecha han proporcionado información detallada sobre los mecanismos de acreción de gas en el centro desde escalas galácticas de 100.000 años luz hasta escalas de unos cientos de años luz. Sin embargo, el fenómeno de acreción de gas en regiones mucho más reducidas, a algunas docenas de años luz del centro de una galaxia, era desconocido hasta ahora debido a la escala espacial tan pequeña que abarca. Para poder entender el crecimiento de los agujeros negros en términos cuantitativos, cabe medir la tasa de acreción y determinar la cantidad y los tipos de gas (plasma, gas atómico y gas molecular) que se expulsan en esos chorros a escalas tan pequeñas. Desafortunadamente, los estudios observacionales no han avanzado mucho en esa área hasta ahora.

Un equipo internacional de investigación encabezado por Takuma Izumi, profesor asistente del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (quien se encontraba afiliado al observatorio y a la Universidad Metropolitana de Tokio cuando se llevó a cabo el estudio), alcanzó un hito sin precedentes a nivel mundial al medir cuantitativamente los flujos de gas y sus estructuras en todas las fases (de plasma, atómica y molecular) a una escala diminuta —de unos pocos años luz— alrededor de un agujero negro supermasivo usando el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Las observaciones de gases multifase pueden ayudar a entender a cabalidad la distribución y la dinámica de la materia que rodea un agujero negro. En este estudio se observó la galaxia Circinus, que constituye un núcleo galáctico activo típico del Universo cercano, a una resolución de aproximadamente un año luz, la más alta lograda a la fecha en observaciones de gas multifase en un núcleo galáctico activo.

El equipo de investigación logró observar por primera vez el flujo de acreción hacia el agujero negro supermasivo dentro del disco de gas de alta densidad que se extiende a lo largo de varios años luz desde el centro de la galaxia. Identificar este flujo de acreción siempre había sido una tarea difícil debido a la escala diminuta de la región observada y los complejos movimientos del gas cerca del centro galáctico. Sin embargo, esta vez el equipo de investigación determinó con precisión dónde el gas molecular observado en primer plano absorbía la luz del brillante núcleo galáctico activo situado detrás. Esto fue posible gracias a las observaciones en alta resolución logradas con ALMA, que revelaron, tras un análisis detallado, que este material absorbente se aleja de nosotros. Y como dicho material se encuentra siempre entre el núcleo galáctico activo y nosotros, el equipo logró observar el flujo de acreción desplazándose en dirección del núcleo galáctico activo.

El equipo también logró dilucidar el mecanismo físico de la acreción de gas. El disco de gas genera una fuerza gravitacional tan intensa que no tiene cómo ser sostenida por la presión ejercida por el movimiento del disco. En este tipo de situación, el disco de gas suele colapsar por efecto de su propio peso y dar paso a estructuras complejas que son incapaces de mantener un movimiento estable en el centro galáctico, tras lo cual el gas fluye rápidamente hacia el agujero negro en el centro. ALMA permitió revelar este fenómeno físico, conocido como inestabilidad gravitacional, en el corazón de la galaxia.

El estudio contribuyó, asimismo, a mejorar considerablemente los conocimientos cuantitativos de los flujos de gas alrededor de los núcleos galácticos activos. La tasa de acreción del gas que fluye hacia el agujero negro puede calcularse a partir de la densidad del gas observado y la velocidad del flujo de acreción. Para sorpresa del equipo científico, dicha tasa resultó ser 30 veces superior a lo necesario para sostener la actividad en el núcleo galáctico activo. En otras palabras, la mayor parte del flujo de acreción a escala de 1 año luz alrededor del centro galáctico no contribuye al crecimiento del agujero negro. De ahí la pregunta: ¿adónde se fue todo el gas excedente? El estudio también permitió dilucidar este misterio mediante observaciones de alta sensibilidad de los gases en todas sus fases en los chorros del núcleo galáctico activo detectados por ALMA. Los análisis cuantitativos revelaron que la mayor parte del gas que fluye hacia el agujero negro es eyectada en chorros atómicos o moleculares. No obstante, al no ser lo suficientemente veloces, estos chorros no logran escapar a la fuerza gravitacional del agujero negro y terminan regresando al disco de gas. Allí, vuelven a formar un flujo de acreción hacia el agujero negro, en un fascinante fenómeno de reciclaje de gas en el centro galáctico similar al ciclo de una fuente de agua.

Takuma Izumi celebra: “Detectar flujos de acreción y chorros salientes en una región de unos pocos años luz alrededor de un agujero negro supermasivo en crecimiento, y en particular en un gas multifase, e incluso descifrar el mecanismo de acreción en sí son logros monumentales en la historia de la investigación de los agujeros negros supermasivos”. Y acerca de las perspectivas futuras, agrega: “Para entender a cabalidad el crecimiento de los agujeros negros supermasivos en la historia cósmica, tenemos que estudiar varios tipos de agujeros negros supermasivos distantes. Para eso, necesitamos realizar observaciones en alta resolución y de alta sensibilidad, y tenemos muchas esperanzas puestas en las observaciones futuras con ALMA y los grandes interferómetros de radio de la próxima generación”.

Información adicional

Los resultados del estudio se consignaron en el artículo “Supermassive black hole feeding and feedback observed on sub-parsec scales” (‘Alimentación y retroalimentación de un agujero negro supermasivo observado en escalas de subparsecs’) de Takuma Izumi et al., publicado en la revista Science el 3 de noviembre de 2023 ((DOI: 10.1126/science.adf0569).

Esta investigación se financió con fondos de las Becas de Investigación Científica de ALMA NAOJ 2020-14A y 2022-21A, la Beca de Investigación ALMA Japón para el proyecto ALMA NAOJ código NAOJ-ALMA-271 y fondos de investigación de la Sociedad Japonesa para el Fomento de la Ciencia (JP20K14531, JP21H04496, JP17H06130, JP21K03632, JP19K03937, JP20K14529, JP20H00181, JP22H00158 y JP22H01268).

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

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.

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