Los astrónomos pueden estar cada vez más cerca de resolver un antiguo misterio sobre la galaxia más grande del universo. Las observaciones de la Misión de Espectroscopía e Imágenes de Rayos X, conocida como XRISM, están proporcionando nueva evidencia de que los agujeros negros supermasivos pueden impedir que estas galaxias masivas formen tantas estrellas como se esperaba.
Según los modelos actuales, las galaxias más masivas deberían tener más masa estelar de la que los astrónomos realmente observan. El déficit indica que algún proceso está suprimiendo la formación de estrellas. Jean “Cindy” Jiang, estudiante de doctorado de la Universidad de Michigan, utilizó datos XRISM para investigar una explicación importante y encontró evidencia que apunta directamente a los agujeros negros.
La mayoría de la gente conoce los agujeros negros como objetos cuya gravedad es tan fuerte que la luz no puede escapar incluso después de cruzar un cierto límite. Sin embargo, los agujeros negros también pueden crear regiones extremadamente brillantes a su alrededor. A medida que el gas y el polvo entran en espiral, forman un disco de acreción que emite grandes cantidades de energía, incluidos potentes rayos X.
Vientos de agujero negro y formación de estrellas
Los discos de acreción son uno de los entornos más energéticos del Universo. El material que cae hacia el agujero negro se calienta por gravedad y fricción hasta convertirse en un plasma intensamente caliente. Al mismo tiempo, el disco puede provocar una fuerte salida de material.
Estos vientos pueden ser lo suficientemente fuertes como para expulsar gas de las galaxias. Dado que el gas es la materia prima necesaria para la formación de nuevas estrellas, estos flujos de salida pueden ralentizar significativamente la futura formación de estrellas.
Los datos de XRISM respaldan esa posibilidad. La misión está dirigida por la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial en asociación con la NASA y la Agencia Espacial Europea.
“Antes, sin XRISM, sólo podíamos ver las características generales de la salida”, dijo Jiang. “Pero hay que ser capaz de resolver las características sutiles para responder a las preguntas importantes. ¿Cuáles son sus estructuras y geometría? ¿Cómo se activan los vientos y cuándo se activan?”
XRISM proporciona una visión más nítida
Lanzado en 2023, XRISM comienza las observaciones científicas en el otoño de 2024. Su resolución energética es aproximadamente 10 veces mejor que la de su predecesor, lo que permite a los astrónomos examinar los entornos de los agujeros negros con mayor detalle.
Jiang y sus colegas se centraron en NGC 4151, una galaxia brillante a poco más de 50 millones de años luz de la Tierra. En su centro hay un núcleo galáctico activo, o AGN, donde un agujero negro supermasivo consume activamente material y forma un disco de acreción luminoso. Esto convierte a NGC 4151 en un laboratorio ideal para estudiar los flujos de salida provocados por agujeros negros.
“Con XRISM, tenemos la mayor resolución para observar el AGN más brillante, y estamos obteniendo la información más rica sobre el flujo jamás observado en un disco de acreción”, dijo Jiang.
En colaboración con el profesor de astronomía de la Universidad de Michigan, John Miller, Jiang demostró anteriormente que el viento del disco de acreción de NGC 4151 puede alcanzar velocidades lo suficientemente altas como para expulsar material del sistema. También identificó el posible mecanismo que impulsa este flujo (llamado conducción magnetocentrífuga y similar a las erupciones solares).
Seguimiento de las salidas más rápidas de agujeros negros
Jiang presentó un nuevo método para determinar cuándo está activo el fuerte viento de NGC 4151 en la 248ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Pasadena, California. El método podría ayudar a los investigadores a identificar flujos similares en otras galaxias y mejorar la comprensión de los AGN en todo el universo.
Debido a que los vientos AGN pueden variar dramáticamente con el tiempo, Jiang necesitaba una manera de determinar cuándo ocurrían las salidas más rápidas y fuertes. Para ello, analizó cientos de días de observaciones XRISM de NGC 4151.
Su trabajo se centra en el período en el que la emisión de rayos X de la galaxia se enciende y cómo evoluciona la señal de rayos X en las horas siguientes.
Además de medir el brillo, Jiang estudió si los rayos X detectados eran relativamente duros o blandos, propiedades comparables a los colores en la luz visible. Combinó estas medidas en una nueva métrica llamada índice de intensidad del color. Miller sugirió acortar el nombre a “Sindicity”.
“En parte porque mi nombre es Cindy”, dijo Jiang. “Pero la idea es que, en el futuro, usted pueda decirme la sindicidad de su fuente en este momento, y yo puedo decirle la probabilidad de que esté viendo salidas rápidas”.
Un nuevo vínculo temporal entre los agujeros negros y el viento galáctico
El análisis reveló un patrón sorprendente. En NGC 4151, el viento rápido más fuerte se produjo cuando los rayos X eran fuertes pero relativamente débiles.
Las salidas más rápidas no se produjeron durante las llamaradas de rayos X. En cambio, suelen aparecer después de unos 10.000 segundos, o poco menos de tres horas. El descubrimiento proporciona el primer vínculo temporal directo entre la actividad de rayos X y el poderoso viento que fluye desde el disco de acreción del agujero negro.
Al detectar cuándo ocurren estas salidas, los astrónomos ahora tienen una nueva y valiosa herramienta para estudiar cómo los agujeros negros afectan el crecimiento y la evolución de las galaxias, y quizás por qué a muchas de las galaxias más masivas del Universo les faltan estrellas.
