Un vínculo inesperado entre los chorros de los agujeros negros y sus galaxias anfitrionas 🌀

Por Françoise Combes - Astrofísica en el Observatorio de París

Un nuevo análisis de los datos de radiotelescopios relaciona las formas de las galaxias con los agujeros negros que albergan. Los agujeros negros no son diversos. Siempre tienen un solo color (negro) y una sola forma (esférica). La única cualidad que puede variar de un agujero negro a otro es la masa.


Por lo general, los agujeros negros que hemos detectado son agujeros negros de masa estelar o agujeros negros supermasivos. Los agujeros negros de masa estelar tienen una masa cercana a la de nuestro Sol (10³⁰ kg) y el tamaño de una ciudad.

Los agujeros negros supermasivos son mucho más masivos (un millón de veces la masa del Sol) y tienen aproximadamente el tamaño del sistema solar. Sin embargo, por más masivos que sean, siempre tienen una masa relativamente pequeña, a menudo muy inferior al 1% de la masa estelar total de su galaxia. También son mucho más pequeños que sus galaxias anfitrionas, alrededor de un millón de veces menores en tamaño.

Una alineación a escalas muy diferentes

En nuevos resultados que publicamos hoy, 14 de noviembre, en Nature Astronomy, hemos descubierto que existe una conexión entre la región cercana al agujero negro y la galaxia anfitriona, ya que los chorros emitidos por el agujero negro están alineados con el resto de la galaxia, a pesar de las escalas tan diferentes.

Los agujeros negros supermasivos son bastante raros. Nuestra galaxia, la Vía Láctea, tiene uno (llamado Sagitario A*, por la constelación en la que se encuentra) en su centro. Todas las galaxias parecen albergar también uno (o a veces dos) agujeros negros supermasivos en su núcleo. Los centros o núcleos de estas galaxias distantes pueden volverse activos, ya que el polvo y el gas son atraídos hacia el núcleo debido a la atracción gravitacional del agujero negro.

No caen inmediatamente, debido a su alta rotación, y forman un disco caliente de materia llamado disco de acreción. Este disco de acreción, debido a su intenso campo magnético, genera a su vez un chorro sobrecalentado de partículas cargadas que son expulsadas del núcleo a velocidades muy altas, cercanas a la velocidad de la luz. Cuando esto ocurre, hablamos de un cuásar (fuente de radiación cuasi-estelar).

Un telescopio del tamaño de la Tierra

Una forma común de estudiar los chorros de cuásares es utilizando la interferometría de muy larga base (VLBI, por sus siglas en inglés). El VLBI permite que diferentes radiotelescopios trabajen de manera conjunta, transformándolos en un único telescopio del tamaño de la Tierra. La resolución espacial es entonces muy superior a la que se obtiene con telescopios ópticos o infrarrojos.

Este "ojo masivo" es mucho más efectivo para resolver detalles finos que cualquier telescopio individual, lo que permite a los astrónomos observar objetos y estructuras mucho más pequeños que los visibles a simple vista, o incluso con telescopios ópticos. Esta técnica fue la que se utilizó para realizar la Imagen del agujero negro del halo de luz generado por el agujero negro supermasivo ubicado en la galaxia M87.

Así, gracias a este enfoque de alta resolución, el VLBI permite a los astrónomos estudiar estos chorros hasta a unas pocas años luz o menos de su origen: el agujero negro. La dirección del chorro a escalas tan pequeñas nos informa sobre la orientación del disco de acreción y, por lo tanto, potencialmente sobre las propiedades del propio agujero negro. Y esta es la única forma de obtener tales datos en la actualidad.

¿Qué pasa con las galaxias anfitrionas en sí mismas? Una galaxia es un objeto tridimensional, formado por cientos de miles de millones de estrellas. Pero se nos aparece (observada en óptico o infrarrojo) proyectada como una elipse en 2D o como una espiral.

Podemos medir la forma de estas galaxias trazando el perfil de la luz de las estrellas y midiendo el eje mayor y el eje menor de la forma bidimensional.

En nuestro artículo, recientemente publicado en Nature Astronomy, comparamos la dirección de los chorros de los cuásares con la dirección del eje menor de la elipse de la galaxia, y descubrimos que están conectados.

Esto es sorprendente, ya que el agujero negro es tan pequeño (el chorro que medimos tiene solo unas pocas años luz de longitud) en comparación con la galaxia anfitriona (que puede medir cientos de miles de años luz de ancho). Es sorprendente que un objeto tan pequeño (en comparación) pueda afectar o ser afectado por el entorno a escalas tan grandes. Podría esperarse ver una correlación entre el chorro y el entorno local, pero no con toda la galaxia.

¿Tiene esto algo que decir sobre cómo se forman las galaxias? Las galaxias espirales a veces colisionan con otras galaxias espirales y forman galaxias elípticas, que aparecen en el cielo como elipses. Durante el proceso de fusión, el fenómeno de los cuásares se desencadena de una manera que no comprendemos completamente. Por esta razón, casi todos los chorros que pueden detectarse usando VLBI están alojados en galaxias elípticas.

La interpretación exacta del resultado sigue siendo un misterio, pero es importante en el contexto del reciente descubrimiento por el telescopio espacial James Webb de cuásares muy masivos (con agujeros negros supermasivos), que se formaron mucho antes en el universo de lo esperado. Está claro que nuestra comprensión de la formación de galaxias y de la influencia de los agujeros negros en este fenómeno debe actualizarse.