Descubrimiento IMP de Astronomía

Los agujeros negros ayudan con el nacimiento de las estrellas

Una investigación que combina observaciones sistemáticas con simulaciones cosmológicas ha descubierto que, sorprendentemente, los agujeros negros pueden ayudar a ciertas galaxias a formar nuevas estrellas. El papel de los agujeros negros supermasivos siempre había sido visto como destructivo en la formación de estrellas: los agujeros negros activos pueden despojar a las galaxias del gas que éstas necesitan para formar nuevas estrellas. Los nuevos resultados, publicados en la revista Nature, muestran situaciones en las que los agujeros negros activos pueden, en cambio, "despejar el camino" para las galaxias que orbitan dentro de grupos o cúmulos de galaxias, evitando que su formación estelar se vea interrumpida mientras vuelan a través del gas intergaláctico que las rodea.

14 de junio de 2021

Se cree principalmente que los agujeros negros activos tienen una influencia destructiva en su entorno. A medida que envían energía a su galaxia anfitriona, se calientan y expulsan el gas de esa galaxia, lo que dificulta que la galaxia produzca nuevas estrellas. Pero ahora, los investigadores han descubierto que la misma actividad en realidad puede ayudar con la formación de estrellas, al menos para las galaxias satélites que orbitan alrededor de la galaxia anfitriona.

Las observaciones astronómicas que incluyen tomar el espectro de una galaxia distante - la separación similar a un arco iris de la luz de una galaxia en diferentes longitudes de onda- permiten mediciones bastante directas de la velocidad a la que esa galaxia está formando nuevas estrellas.

Vía láctea virtual: Densidad de gas alrededor de una galaxia central masiva en un grupo en el universo virtual de la simulación TNG50. El gas dentro de la galaxia corresponde a la estructura vertical brillante: un disco gaseoso. A la izquierda y a la derecha de esa estructura hay burbujas, regiones que parecen círculos en esta imagen, con una densidad de gas marcadamente reducida en el interior. Esta geometría del gas se debe a la acción del agujero negro supermasivo que se esconde en el centro de la galaxia y que expulsa el gas preferiblemente en direcciones perpendiculares al disco gaseoso de la galaxia, tallando regiones de menor densidad. Aumentar imagen
Vía láctea virtual: Densidad de gas alrededor de una galaxia central masiva en un grupo en el universo virtual de la simulación TNG50. El gas dentro de la galaxia corresponde a la estructura vertical brillante: un disco gaseoso. A la izquierda y a la derecha de esa estructura hay burbujas, regiones que parecen círculos en esta imagen, con una densidad de gas marcadamente reducida en el interior. Esta geometría del gas se debe a la acción del agujero negro supermasivo que se esconde en el centro de la galaxia y que expulsa el gas preferiblemente en direcciones perpendiculares al disco gaseoso de la galaxia, tallando regiones de menor densidad.
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De acuerdo a estas mediciones, algunas galaxias están formando estrellas a ritmos bastante tranquilos. En nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, solo nacen una o dos estrellas nuevas cada año. Otros experimentan breves estallidos de excesiva actividad de formación estelar, llamados "estallidos de estrellas", con cientos de estrellas nacidas por año. En otras galaxias, la formación de estrellas parece estar suprimida o "apagada", como dicen los astrónomos: tales galaxias prácticamente han dejado de formar nuevas estrellas.

Un tipo especial de galaxia, cuyas muestras se encuentran - casi la mitad de las veces - en un estado tan apagado, son las llamadas galaxias satélite. Estas son parte de un grupo o cúmulo de galaxias, su masa es comparativamente baja y orbitan una galaxia central mucho más masiva similar a la forma en que los satélites orbitan la Tierra.

Esas galaxias suelen formar muy pocas estrellas nuevas, si es que lo hacen, y desde la década de 1970, los astrónomos han sospechado que el culpable podría ser un efecto similar al del algo muy parecido al "viento en contra": los grupos y cúmulos de galaxias no solo contienen galaxias, sino también un gas delgado y caliente que rellena el espacio intergaláctico.

Cuando una galaxia satélite orbita a través del cúmulo a una velocidad de cientos de kilómetros por segundo, el gas delgado produciría un efecto similar al del "viento en contra" que siente alguien que conduce una bicicleta o una motocicleta a altas velocidades. Las estrellas de la galaxia satélite son demasiado compactas para verse afectadas por el flujo constante de gas intergaláctico que se aproxima. Pero el propio gas de la galaxia satélite no lo es: sería eliminado por el gas caliente que se aproxima en un proceso conocido como "extracción por presión de ariete". Por otro lado, una galaxia que se mueve rápidamente no tiene posibilidad de atraer una cantidad suficiente de gas intergaláctico para reponer su reserva de gas. El resultado es que estas galaxias satélite pierden su gas casi por completo y, con él, la materia prima necesaria para la formación de estrellas. Como resultado, la actividad de formación de estrellas se apagaría.

Los procesos en cuestión tienen lugar durante millones o incluso miles de millones de años, por lo que no podemos verlos pasar directamente. Pero aun así, hay formas en que los astrónomos pueden aprender más. Pueden utilizar simulaciones por computadora de universos virtuales, programadas para seguir las leyes relevantes de la física, y comparar los resultados con lo que realmente observamos. Y pueden buscar pistas reveladoras en la "foto instantánea" completa de la evolución cósmica que proporcionan las observaciones astronómicas.

Annalisa Pillepich, líder de grupo del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA), se especializa en simulaciones de este tipo. El conjunto de simulaciones IllustrisTNG, que Pillepich ha codirigido, proporciona los universos virtuales más detallados hasta la fecha: universos en los que los investigadores pueden seguir el movimiento del gas en escalas comparativamente pequeñas.

IllustrisTNG proporciona algunos ejemplos extremos de galaxias satélites que han sido despojadas recientemente por la presión del ariete: las llamadas "galaxias medusa", que siguen los restos de su gas como las medusas arrastran sus tentáculos. De hecho, identificar a todas las medusas en las simulaciones es un proyecto de ciencia ciudadana lanzado recientemente en la plataforma Zooniverse, donde voluntarios pueden ayudar con la investigación de ese tipo de galaxia recién apagada.

Pero, si bien las galaxias medusa son relevantes, no son donde comenzó el presente proyecto de investigación. Durante un almuerzo en noviembre de 2019, Pillepich contó un resultado diferente de IllustrisTNG a Ignacio Martín-Navarro, un astrónomo especializado en observaciones, que estaba en el IMPA con una beca Marie Curie. Se trataba de un resultado sobre la influencia de los agujeros negros supermasivos que llegaron más allá de la galaxia anfitriona, hacia el espacio intergaláctico.

Estos agujeros negros supermasivos se pueden encontrar en el centro de todas las galaxias. La materia que cae sobre un agujero negro de este tipo normalmente se convierte en parte de un llamado disco de acreción giratorio que rodea al agujero negro, antes de caer en el propio agujero negro. Esta caída sobre el disco de acreción libera una enorme cantidad de energía en forma de radiación y, a menudo, también en forma de dos chorros de partículas que se mueven rápidamente, que se alejan del agujero negro en ángulo recto con el disco de acreción. Un agujero negro supermasivo que emite energía de esta manera se llama Núcleo Galáctico Activo (NGA).

Si bien IllustrisTNG no es lo suficientemente detallado como para incluir chorros de agujeros negros, sí contiene términos físicos que simulan cómo un ANG agrega energía al gas circundante. Y como mostró la simulación, esa inyección de energía conducirá a salidas de gas, que a su vez se orientarán por un camino de menor resistencia: en el caso de galaxias de disco similares a nuestra propia Vía Láctea, perpendiculares al disco estelar; para las llamadas galaxias elípticas, perpendiculares a un plano preferido adecuado definido por la disposición de las estrellas de la galaxia.

Con el tiempo, las salidas de gas bipolar, perpendiculares al disco o al plano preferido, llegarán a afectar el entorno intergaláctico, el gas delgado que rodea la galaxia. Empujarán el gas intergaláctico y cada salida creará una burbuja gigantesca. Fue este relato lo que hizo pensar a Pillepich y Martín-Navarro: si una galaxia satélite pasara a través de esa burbuja, ¿se vería afectada por el flujo de salida y su actividad de formación estelar se extinguiría aún más?

Martín-Navarro abordó esta cuestión dentro de sus propios dominios. Tenía una amplia experiencia trabajando con datos de una de las encuestas sistemáticas más grandes hasta la fecha: Sloan Digital Sky Survey (SDSS), que proporciona imágenes de alta calidad de una gran parte del hemisferio norte. En los datos disponibles públicamente, examinó 30.000 grupos y cúmulos de galaxias, cada uno de los cuales contiene una galaxia central y, en promedio, 4 galaxias satélites.

En un análisis estadístico de esos miles de sistemas, encontró una pequeña, pero marcada diferencia entre las galaxias satélites que estaban cerca del plano preferido de la galaxia central y los satélites que estaban marcadamente arriba y abajo. Pero la diferencia fue en la dirección opuesta que los investigadores esperaban: los satélites por encima y por debajo del plano, dentro de las burbujas más delgadas, en promedio no eran más probables, sino un 5% menos factible de haber tenido su actividad de formación estelar apagada.

Con ese sorprendente resultado, Martín-Navarro volvió a Annalisa Pillepich, y los dos realizaron el mismo tipo de análisis estadístico en el universo virtual de las simulaciones IllustrisTNG. En simulaciones de ese tipo, después de todo, los investigadores no introducen la evolución cósmica "a mano". En cambio, el software incluye reglas que modelan las reglas de la física para ese universo virtual de la manera más natural posible, y que también incluyen condiciones iniciales adecuadas que corresponden al estado de nuestro propio universo poco después del Big Bang.

Es por eso que simulaciones como esa dejan espacio para lo inesperado, en este caso particular, para redescubrir la distribución en el plano y fuera del plano de las galaxias satélites apagadas: el universo virtual mostró la misma desviación del 5% para la extinción de las galaxias satélites. Evidentemente, los investigadores estaban en lo cierto.

Con el tiempo, Pillepich, Martín-Navarro y sus colegas propusieron una hipótesis sobre el mecanismo físico detrás de la variación de extinción. Consideremos una galaxia satélite que viaja a través de una de las burbujas más diluidas que el agujero negro central ha expulsado hacia el medio intergaláctico circundante. Debido a la menor densidad, esa galaxia satélite experimenta menos viento en contra, menos presión de ariete y, por lo tanto, es menos probable que se le quite el gas.

Entonces, todo depende de las estadísticas. Para las galaxias satélites que ya han orbitado las mismas galaxias centrales varias veces, atravesando burbujas pero también las regiones de mayor densidad intermedias, el efecto no será notable. Tales galaxias habrán perdido su gas hace mucho tiempo.

Pero para las galaxias satélites que se han unido al grupo, o cúmulo, recientemente, la ubicación marcará la diferencia: si esos satélites aterrizan primero en una burbuja, es menos probable que pierdan su gas que si aterrizan fuera de una burbuja. . Este efecto podría explicar la diferencia estadística de las galaxias satélite apagadas.

Con la excelente concordancia entre los análisis estadísticos de las observaciones de SDSS y las simulaciones de IllustrisTNG, y con una hipótesis plausible para un mecanismo, este es un resultado muy prometedor. En el contexto de la evolución de las galaxias, es particularmente interesante porque confirma, indirectamente, el papel de los núcleos galácticos activos no solo calentando el gas intergaláctico, sino "alejándolo" activamente, para crear regiones de menor densidad. Y como ocurre con todos los resultados prometedores, ahora hay una serie de direcciones naturales que Martín-Navarro, Pillepich y sus colegas u otros científicos pueden tomar para explorar más a fondo.

 
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