Nuevas observaciones del Telescopio Espacial James Webb, o JWST, están brindando a los astrónomos su visión más clara hasta el momento de cómo los agujeros negros supermasivos obtienen el gas que necesitan para crecer.
Las imágenes revelan largas hebras de gas que conectan la cálida atmósfera exterior de una galaxia con un disco que gira rápidamente alrededor de su agujero negro central. Este disco actúa como un depósito final de material antes de que el gas caiga hacia adentro y alimente el agujero negro.
Un equipo de investigación internacional dirigido por la Universidad de Montreal, con contribuciones de la Universidad Estatal de Michigan, llevó a cabo las observaciones y analizó los resultados. Sus hallazgos, publicados en la edición del 14 de julio Cartas de revistas astrofísicasAyude a responder una pregunta que ha desafiado a los astrónomos durante décadas.
“Las observaciones del JWST nos ofrecen miles de nuevos hechos y mediciones, y puedo informar que hay mucho que asimilar”, dijo Megan Donahue, profesora distinguida de Física y Astronomía de la Universidad MSU. “Todos estamos trabajando juntos para resolver cuestiones de astrofísica sobre cómo estos agujeros negros obtienen su combustible y cómo interactúan con sus galaxias anfitrionas”.
Cómo afectan los agujeros negros supermasivos a las galaxias
En el centro de casi todas las galaxias grandes hay un agujero negro supermasivo, o SMBH. Estos objetos pueden ser millones o miles de millones de veces más masivos que el Sol.
Un agujero negro por sí solo no emite luz. Sin embargo, cuando grandes cantidades de gas y polvo caen hacia él, el material se calienta y crea una región muy brillante y poderosa. Los astrónomos lo llaman núcleo galáctico activo o AGN.
Un agujero negro activo puede comportarse como un potente motor cósmico. Esto puede lanzar chorros masivos que transportan energía lejos del centro de la galaxia. Estos chorros pueden calentar el gas circundante, ralentizar la formación de nuevas estrellas y afectar la evolución de las galaxias a lo largo de miles de millones de años.
Esto crea un enigma duradero. Si los chorros calientan el gas cercano, deberían dificultar que ese gas se enfríe y caiga hacia el agujero negro. En teoría, el agujero negro acabaría agotando su propio suministro de alimentos.
Sin embargo, muchos agujeros negros supermasivos continúan alimentándose.
Un posible ciclo de combustible de un agujero negro
La explicación principal es que el sistema se regula a sí mismo.
El gas calentado por la actividad de los agujeros negros puede eventualmente enfriarse nuevamente. A medida que pierde energía, puede condensarse en estructuras largas y estrechas conocidas como filamentos. Estas corrientes de gas frío pueden luego regresar hacia el centro de la galaxia y reponer el suministro de combustible del agujero negro.
Para investigar este proceso, los investigadores utilizaron JWST para estudiar NGC 4696, la galaxia central más grande del cúmulo Centauro. El cúmulo es una densa colección de galaxias a unos 145 millones de años luz de la Tierra y se considera uno de los mejores lugares para examinar cómo los núcleos galácticos activos interactúan con su entorno.
El equipo observó NGC 4696 durante aproximadamente ocho horas utilizando el instrumento NIRSpec de JWST. NIRSpec separa la luz infrarroja en las longitudes de onda que la componen, lo que permite a los científicos determinar cómo se mueve el gas, de qué está hecho y cómo varían sus propiedades en una región.
Los mapas resultantes rastrearon el movimiento del gas en las profundidades de la esfera de influencia del agujero negro. Esta es la región donde la gravedad del agujero negro domina el movimiento de los objetos cercanos.
JWST resolvió estructuras de aproximadamente 30 años luz de diámetro. Si bien esa distancia es enorme para los estándares humanos, es un nivel de detalle increíblemente fino dentro de una galaxia que se extiende por decenas de miles de años luz.
Vierta el gas en un disco giratorio.
Las observaciones han demostrado que una estructura en forma de S cerca del centro de la galaxia es en realidad un disco giratorio de gas que rodea al agujero negro supermasivo.
El disco tiene una extensión de unos 800 años luz y parte del material de su interior se mueve a velocidades de hasta 600 kilómetros por segundo.
Lo más importante es que el disco parece estar físicamente conectado a uno de los grandes filamentos de gas que fluyen hacia el interior de la galaxia. Los datos del JWST muestran que el gas viaja a lo largo del filamento y entra en el disco giratorio que suministra material al agujero negro.
Esta conexión todavía proporciona algunas de las pruebas observacionales más sólidas de que los filamentos de gas frío pueden actuar como canales de alimento para los agujeros negros supermasivos.
Completando el ciclo de retroalimentación del agujero negro
Los resultados ayudan a completar los pasos que faltan en un ciclo más amplio.
En primer lugar, los chorros lanzados por los agujeros negros activos inyectan energía en el gas galáctico circundante. Con el tiempo, esas partículas de gas se enfrían, se vuelven inestables y colapsan en finos filamentos. Algunas de estas estructuras tienen sólo unos pocos cientos de años luz de ancho, pero se extienden por miles de años luz.
A medida que el gas cae hacia adentro, las fuerzas magnéticas pueden ayudar a frenar su rotación y empujarlo hacia el centro. Luego, el material se acumula en un disco giratorio alrededor del agujero negro.
El disco alimenta el agujero negro, el agujero negro impulsa nuevos chorros y esos chorros, a su vez, calientan el gas circundante.
De esta manera, el agujero negro puede ayudar a crear las condiciones que en última instancia proporcionen su próximo combustible.
La simulación admite observaciones JWST.
Los investigadores también utilizaron simulaciones informáticas avanzadas para probar si esta explicación podría reproducir el comportamiento observado por JWST.
El gas simulado se movió y se condensó de una manera que se parecía mucho al sistema observado. Este acuerdo proporciona apoyo independiente a la idea de que el gas refrigerante, los campos magnéticos y los chorros de agujeros negros trabajan juntos en un ciclo autorregulado.
“Participar en este proyecto es realmente emocionante”, dijo Mark Voight, profesor de física y astronomía de MSU. “Los cálculos realizados por nuestro grupo del estado de Michigan predicen que los campos magnéticos ayudan a alimentar los agujeros negros más grandes del Universo al hacer fluir gas frío hacia ellos, y es sorprendente ver que eso sucede en estas imágenes del JWST”.
