ALMA revela burbujas de tranquilidad protegiendo moléculas orgánicas
26 Febrero, 2015 / Tiempo de lectura: 10 minutes
Gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un equipo de investigadores descubrió regiones en que ciertas moléculas orgánicas logran sobrevivir la intensa radiación en las cercanías de un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia NGC 1068, conocida también por los astrónomos aficionados como M77.
Se piensa que estas complejas moléculas a base de carbono se desintegran fácilmente con los rayos X y fotones ultravioleta (UV) que se propagan en los alrededores de los agujeros negros supermasivos. No obstante, nuevos datos aportados por ALMA indican que existen burbujas de tranquilidad incluso en estás tumultuosas regiones, probablemente gracias a densas áreas de gas y polvo que escudan las moléculas de la radiación letal.
Zona central de la galaxia M77, también conocida como NGC 1068, observada por ALMA y el telescopio espacial Hubble de NASA/ESA. Amarillo: cianoacetileno (HC3N); rojo: sulfuro de carbono (CS); azul: monóxido de carbono (CO), observados con ALMA. Mientras el HC3N abunda en la zona central de la galaxia (el disco circumnuclear), el CO está distribuido principalmente en el anillo con brotes de formación estelar. El CS se encuentra tanto en el disco circumnuclear como en el anillo.
Moléculas entregan pistas sobre ambientes galácticos
El gas interestelar contiene una gran variedad de moléculas, y su composición química varía considerablemente según el ambiente. Por ejemplo, una zona donde se forman estrellas y que presenta temperaturas más elevadas que su entorno estimula la producción de ciertos tipos de moléculas mediante reacciones químicas que difícilmente se producen en zonas más frías. Esto permite a los científicos estudiar el ambiente (la temperatura y la densidad) de una zona de interés analizando la composición química de las moléculas presentes en ella. Como cada molécula tiene su propio espectro de emisión, podemos identificar la composición química y conocer el ambiente de un objeto lejano realizando observaciones con un radiotelescopio.
Gracias a este método, los astrónomos han estudiado con gran interés las zonas con brotes de formación estelar de las galaxias [1] y las áreas circundantes de los núcleos de galaxia activos, conocidas como discos circumnucleares [2], sumamente importantes para comprender la evolución de las galaxias. Asimismo, las observaciones en radio de las emisiones moleculares son fundamentales para estudiar los mecanismos y el ambiente de estas zonas [3]. Sin embargo, puesto que emiten ondas de radio muy débiles, no ha sido fácil observar estas moléculas, y con los radiotelescopios convencionales los astrónomos tardaban varios días en detectar las señales.
Observaciones moleculares con ALMA
El equipo encabezado por Shuro Takano, del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), y Taku Nakajima, de la Universidad de Nagoya, usó ALMA para observar la galaxia en espiral M77, ubicada en dirección de la constelación de Cetus (Ballena), a un distancia de aproximadamente 47 millones de años luz. Se sabe que M77 tiene un núcleo galáctico activo rodeado por un anillo con brotes de formación estelar cuyo radio alcanza los 3500 años luz.
Como el equipo ya había hecho observaciones de varias emisiones moleculares de esta galaxia usando el telescopio de 45 metros del Radiobservatorio de Nobeyama del NAOJ, buscaron ahondar en sus investigaciones usando la alta sensibilidad de ALMA así como su alta fidelidad, su capacidad para observar un amplio rango de longitudes de onda al mismo tiempo y su gran resolusión espacial; para identificar las diferencias en la composición química de los núcleos de galaxia activos y las zonas con brotes de formación estelar.
Zona central de la galaxia M77, también conocida como NGC 1068, observada por ALMA y el telescopio espacial Hubble de NASA/ESA. Amarillo: cianoacetileno (HC3N); rojo: sulfuro de carbono (CS); azul: monóxido de carbono (CO), observados con ALMA. Mientras el HC3N abunda en la zona central de la galaxia (el disco circumnuclear), el CO está distribuido principalmente en el anillo con brotes de formación estelar. El CS se encuentra tanto en el disco circumnuclear como en el anillo.
Las observaciones de ALMA revelaron en forma clara la distribución de nueve tipos de moléculas en el disco circumnuclear y en el anillo con brotes de formación estelar. Takano, quien dirige el equipo de investigación, cuenta: "En esta observación usamos solo 16 antenas, que equivalen a cerca de un cuarto del número total de antenas que tiene ALMA, y nos sorprendió mucho poder obtener tantos mapeos de distribución molecular en menos de dos horas. Nunca habíamos obtenido tantos mapeos con una sola observación".
Los resultados de la observación muestran que la distribución molecular varía según el tipo de molécula. Mientras el monóxido de carbono (CO) está repartido principalmente en el anillo con brotes de formación estelar, en el disco circumnuclear se concentran cinco tipos de moléculas, incluyendo moléculas complejas como el cianoacetileno (HC3N) y el acetonitrilo (CH3CN). Además, tanto en el anillo como en el disco circumnuclear, se encuentran moléculas de sulfuro de carbono (CS) y metanol (CH3OH). ALMA proporcionó esta primera observación en alta resolución de los cinco tipos de moléculas detectados en M77, y reveló que estas se concentran en el disco circumnuclear.
Escudos protegen complejos orgánicos alrededor de un agujero negro
El agujero negro supermasivo se traga todo el material circundante gracias a su fuerte gravedad y genera un disco a su alrededor que alcanza elevadas temperaturas, emitiendo intensos rayos X o fotones UV. Cuando una molécula orgánica compleja, dotada de varios enlaces atómicos, queda expuesta a fuertes rayos X o fotones UV, los enlaces atómicos se rompen y la molécula se desintegra. De ahí que se creyera que los discos circumnucleares eran un ambiente demasiado rudo como para que sobrevivieran las moléculas orgánicas. Las observaciones de ALMA, en tanto, demostraron lo contrario al detectar abundantes moléculas orgánicas en el disco circumnuclear.
"Es bastante sorprendente haber encontrado en el disco circumnuclear estas concentraciones de acetonitrilo (CH3CN) y cianoacetileno (HC3N), que tienen un gran número de átomos"señala Nakajima.
El equipo de investigación cree que las moléculas orgánicas se mantienen intactas en el disco circumnuclear debido a la gran cantidad de gas, que les sirve de escudo contra los rayos X y los fotones UV, mientras que en la zona con brotes de formación estelar no sobreviven a los fotones UV porque allí la densidad del gas es menor.
Los investigadores destacan que estos resultados constituyen un importante primer paso para conocer la estructura, la temperatura y la densidad del gas que rodea el núcleo galáctico activo en M77. "Esperamos que las observaciones futuras, con rangos de frecuencia más amplios y mayores resoluciones, nos den una imagen completa y más detallada de nuestro objeto de estudio y nos permitan hacer hallazgos aún más impresionantes", agrega Takano.
"ALMA inició una nueva era en astroquímica" dice Eric Herbst de la Universidad de Virginia en Charlottesville, EEUU y miembro del equipo de investigación. Y agrega que "detectar y trazar moléculas en el Cosmos nos permite aprender mucho más de áreas que de otra forma estarían ocultas, como las regiones alrededor de M77".
Los resultados de esta observación se describieron en el artículo de Takano et al. titulado "Distributions of molecules in the circumnuclear disk and surrounding starburst ring in the Seyfert galaxy NGC 1068 observed with ALMA" ('Distribuciones de moléculas en el disco circumnuclear y el anillo con brotes de formación estelar circundante en la galaxia Seyfert NGC 1068 observada con ALMA'), publicado en el periódico astronómico Publications of the Astronomical Society of Japan (PASJ) en julio de 2014, y en el artículo de Nakajima et al. titulado "A Multi-Transition Study of Molecules toward NGC 1068 based on High-Resolution Imaging Observations with ALMA" ('Estudio multitransicional de moléculas hacia NGC 1068 a partir de imágenes de alta resolución obtenidas con ALMA'), publicado en PASJ en febrero de 2015.
Notas
[1] En nuestra galaxia, la Vía Láctea, nace una estrella similar al Sol cada año en promedio, mientras que en la zona con brotes de formación estelar nacen varios cientos de estrellas de este tipo por año.
[2] Se cree que la mayoría de las galaxias tiene en el centro un agujero negro supermasivo de varios millones a varios cientos de millones de masas solares. El núcleo galáctico activo es un tipo de agujero negro supermasivo que traga el gas circundante y emite chorros de gas a alta velocidad.
[3] Por ejemplo, un equipo de investigación encabezado por Takuma Izumi y Kotaro Kohno de la Universidad de Tokio, ambos investigadores que participaron en el presente estudio, indicó, basándose en observaciones anteriores de ALMA, que hay fuertes emisiones de ácido cianhídrico (HCN) en el agujero negro supermasivo de la galaxia espiral barrada NGC1097.
Referencia: comunicado de prensa del 24 de octubre de 2013 titulado "Composición química única alrededor de agujero negro supermasivo — Un paso hacia el desarrollo de un nuevo método de exploración de los agujeros negros" (en inglés)
Esta investigación fue realizada por: Shuro TAKANO (Radiobservatorio de Nobeyama,NAOJ/SOKENDAI); Taku NAKAJIMA (Laboratorio de Ambiente Solar-Terrestre, Universidad de Nagoya); Kotaro KOHNO (Instituto de Astronomía, Universidad de Tokio/Centro de Investigación sobre el Universo Joven); Nanase HARADA (Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sinica [Instituto de Radioastronomía Max Planck cuando se redactó el artículo]); Eric HERBST (Universidad de Virginia); Yoichi TAMURA (Instituto de Astronomía, Universidad de Tokio); Takuma IZUMI (Instituto de Astronomía, Universidad de Tokio); Akio TANIGUCHI (Instituto de Astronomía, Universidad de Tokio); Tomoka TOSAKI (Universidad de Educación de Joetsu)
Información adicional
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.
Contacto:
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Asistente de Comunicaciones y Educación
Observatorio ALMA
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Encargado de Educación y Extensión, NAOJ Chile
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