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17 de Diciembre de 2019
Astrofísica

Así agita un agujero negro central a su galaxia gigante

Después de que se desintegrase un telescopio espacial, pocas esperanzas les quedaban a los astrofísicos de llegar a saber cómo los agujeros negros supermasivos agitan las galaxias gigantes. Pero entonces idearon un ardid.

El convulso entorno gaseoso de las regiones centrales del enorme cúmulo de galaxias de Perseo, según imágenes del observatorio espacial de rayos X Chandra [NASA/CXC/IoA/A.Fabian et al.]

Cuando el telescopio espacial Hitomi entró en órbita tal y como debía a principios de 2016, los astrónomos creyeron que la mala racha que estaban teniendo se había acabado. Un predecesor, lanzado en 2000, se había precipitado sobre el océano. Una misión, continuación de otra, perdía helio; operó de manera completa solo durante unas semanas. Hitomi, un satélite de rayos X con una singular capacidad de clasificar fotones de los más energéticos del universo según su energía, representaba la última oportunidad para los astrónomos de barrer confusiones acerca del comportamiento de las galaxias más colosales. En cuanto entró en servicio, orientó su ojo hacia un cúmulo de galaxias de la constelación de Perseo.

Hace mucho que vienen los científicos preguntándose cómo esas galaxias enérgicamente «activas», llenas de gas a millones de grados de temperatura, no fabricaban estrellas a un ritmo más violento. El gas debería enfriarse a medida que las calientes nubes emiten rayos X hacia el espacio, como un atizador caliente cuyo resplandor se va apagando. Con el paso del tiempo, el gas debería asentarse y agregarse, y crear así estrellas. «En medio de esos sistemas debería estar construyéndose galaxia a una escala inmensa», dice Mark Voit, astrónomo de la Universidad del Estado de Michigan. Pero «no vemos nada por el estilo». Tampoco es que se calienten las galaxias. Parece que algo las mantiene en una tibieza ideal entre lo uno y lo otro.

Los astrofísicos suponen, es ya una antigua creencia, que el agujero negro supermasivo que tienen en el centro se encarga de la microgestión del termostato. Pero ¿cómo podía una mota así de minúscula, su tamaño viene a ser el de nuestro sistema solar, guiar el comportamiento de una galaxia que mide de punta a punta cientos de miles de años luz?

Se sospechaba que grandes chorros de energía, expelidos desde lados opuestos del agujero negro, volvían turbulentas las nubes y que de esa manera el conjunto se mantenía templado. Si se lanzó Hitomi, fue en parte para que divisase la turbulencia.

Pero cuando Hitomi apuntó hacia Perseo, la impresión que se tuvo era que las nubes de gas parecían demasiado tranquilas; la idea de que la turbulencia resolvía el problema quedaba así en entredicho. Los datos recogidos solo en los primeros días de observación ponían contra las cuerdas a una de las ideas astrofísicas más importantes.

Y entonces ocurrió la catástrofe.

Antes de que los investigadores pudiesen orientar Hitomi hacia otras galaxias en busca de confirmaciones, la nave empezó a girar descontroladamente y se despedazó, víctima de la mala suerte y de una ingeniería desastrosa. Los 300 millones de dólares que costó la misión ofrecieron como resultado principal una breve observación de Perseo. «Es una triste historia», dice Voit. «Hacía décadas que estábamos ansiosos por contar con esa capacidad de realizar una buena espectroscopía de rayos X».

Ahora, un nuevo estudio ha puesto en entredicho a su vez las conclusiones de Hitomi. Haciendo a un lado los datos de rayos X, difíciles de conseguir, ha hallado que la turbulencia todavía podría ser la causa de la naturaleza «ideal» de esas galaxias activas.

Seguir las burbujas

Si se quiere estudiar un gas que despide rayos X, es muy bueno tener un satélite que observe específicamente rayos X. Pero los investigadores han dado con una forma de sondear la turbulencia sin tener que recurrir a los rayos.

Yuan Li, astrofísica teórica de la Universidad de California, Berkeley, tenía pensado en un principio estudiar unas burbujas especiales que merodean cerca de los agujeros negros centrales supermasivos de las grandes galaxias. Quería saber si la conformación de las burbujas concordaba con sus teorías. Como las burbujas están más frías que el gas que las rodea, brillan con luz visible: por lo tanto, no hace falta un refinado satélite de rayos X para ver esos densos «filamentos». Rastreó en los datos existentes y encontró unas observaciones de los filamentos del centro de tres cúmulos de galaxias cercanos: Perseo, Abell 2597 y Virgo.

El agujero negro supermasivo existente en el centro del cúmulo de Perseo está rodeado por burbujas. [NASA/CC/Stanford/I. Zhuravieva et al.]

Cuando tuvo los datos vio que había también información acerca de qué partes de los filamentos se movían en tales o cuales direcciones. Pensó que si trazaba el movimiento de las burbujas podría discernir qué le pasaba al gas invisible: una estrategia que recuerda a la de aprovechar la vibración de las hojas para discernir el movimiento del viento. «Es una forma completamente nueva de abordar esta cuestión», afirma Voit.

El aspecto principal era la turbulencia, un patrón específico de movimiento en el que los grandes brotes de energía se descomponen en remolinos más pequeños, que a su vez se dividen en otros menores; la energía se va distribuyendo hasta llegar a la escala de las partículas individuales. La turbulencia podría explicar cómo pasa la energía desde los chorros del agujero negro (enormes surtidores de partículas que miden miles de años luz de largo) hasta las convulsiones a la escala de las partículas. La turbulencia podría mantener templada a la galaxia.

Li y sus colaboradores buscaron las huellas de la turbulencia por medio de una larga lista de pares de localizaciones en los filamentos. Algunos pares eran de puntos cercanos entre sí, otros de puntos lejanos el uno del otro. Compararon para cada par la velocidad relativa del gas en cada punto con la distancia que había entre ellos.

Si un filamento se movía entero en una dirección uniforme (si, por ejemplo, caía hacia el agujero negro), los puntos, fuese cual fuese su separación, se moverían a la misma velocidad. Pero si los puntos distantes entre sí se movían relativamente deprisa y, en cambio, los puntos que estaban juntos se movían despacio, los filamentos se moverían de forma complicada, con remolinos de todos los tipos.

Eso fue precisamente lo que encontró el equipo, tal y como describen en un artículo que se va a publicar en The Astrophysical Journal Letters. Cuanto más separados estaban los lugares, tanto más deprisa se movían.

Li se quedó maravillada porque era exactamente la intrincada forma de arremolinarse que cabía esperar de unas nubes de gas turbulento que fuesen llevando a los filamentos de acá para allá. «Casi fue turbador lo pequeñas que eran las incertidumbres», dice. «Los datos mismos son bellos de verdad».

Yuan Li, astrofísica de la Universidad de California, Berkeley, ha explorado la turbulencia cerca de los agujeros negros supermasivos gracias a unas burbujas gigantes. [Caroline Lee/Quanta Magazine].

La existencia de movimientos que abarcan de lo pequeño a lo grande representa, según Li, una prueba inequívoca de que la turbulencia es la responsable de tomar energía a nivel galáctico y desmenuzarla hasta llegar al nivel de las partículas. «Esta [investigación] nos dice que los agujeros negros impulsan la turbulencia», dice.

A otros, sin embargo, les gustaría ver modelos más detallados del proceso en cascada antes de aceptar las conclusiones. «Es interesante», afirma Brian McNamara, astrofísico de la Universidad de Waterloo, en Canadá, «pero creo que tienen que ahondar más».

Li refuerza su argumento ligando ese flujo de energía al agujero negro central. Los mayores remolinos de filamento (y cabe presumir que los mayores remolinos de gas) miden unos miles de años luz, tanto como los largos chorros. Si fuera otra cuchara cósmica más grande la que hubiese agitado la turbulencia, el equipo habría encontrado remolinos mayores.

En cuanto al preciso papel de la turbulencia, el debate sigue. En la turbulencia de manual, la energía se reparte en cascada de lo grande a lo pequeño de una manera determinada: los remolinos de cierto tamaño generan torbellinos de cierto tipo. En los filamentos de Li, sin embargo, los remolinos más pequeños no giran tan deprisa como para satisfacer la definición clásica. La energía no consigue alcanzar las partes pequeñas de los filamentos con tanta eficiencia como debería si fuese solo la turbulencia la que se encarga de la distribución.

Una explicación que salva a la turbulencia se basa en el escaso conocimiento que se tiene de la naturaleza de las nubes de gas. Están hechas de un plasma de partículas cargadas tan ralo que una partícula podría errar durante docenas de años luz sin toparse con otra. En veladuras tan sutiles es muy posible que la energía desaparezca convertida en calor antes de lo que predice la teoría.

O quizá la apariencia de turbulencia podría ser una ilusión. Solo porque las galaxias tengan movimientos a gran y a pequeña escala, mantiene Christopher Reynolds, astrofísico de la Universidad de Cambridge, no es necesario que sea la turbulencia la que convierte los primeros en los segundos. El movimiento más lento y a menor escala podría corresponder al estampido de ondas sonoras procedentes del agujero negro: unas ondas de choque producidas cuando los chorros chocan con el gas circundante.

Li, por su parte, cree que al menos parte del calor es generada por verdadera turbulencia. «El cuadro real es más complicado de lo que pensábamos», explica. Mientras que la turbulencia clásica se debe a un agitar incesante, señala, los chorros de los agujeros negros se encienden y apagan, lo cual también podría explicar que la cascada de energía no se parezca a las más comunes.  

Sea cual sea la cantidad de calor que procede de la turbulencia, los investigadores esperan seguir estudiando el papel de los filamentos en el mantenimiento del ciclo galáctico completo. Los chorros alimentan el gas caliente, que se condensa en aglomeraciones más frías, que al final pueden acabar cayendo en el agujero negro y energizando así chorros futuros. Cualquiera puede tener su conjetura acerca de cómo funciona cada paso de este ciclo, pero es probable que los filamentos sean una de las claves de cómo, en galaxia tras galaxia, el agujero negro central saca justo la energía suficiente para evitar el enfriamiento, pero no tanta como para desencadenar un calentamiento desbocado.

Para determinar con precisión los detalles de ese ciclo se requerirá tanto el uso de simulaciones por ordenador como observaciones más amplias de los filamentos. Además, las imágenes de rayos X del gas invisible mostrarían directamente qué está pasando. Para eso, los astrofísicos tendrán que esperar al sustituto del Hitomi, cuyo lanzamiento está previsto para 2021. Habrá que cruzar los dedos.

Esta simulación muestra la agitación del gas cerca de un agujero negro supermasivo. La región tiene un millón de años luz de diámetro y el bucle de vídeo abarca 600 millones de años [por cortesía de Yuan Li].

Nota de Quanta Magazine: Li ha recibido ayudas económicas de la Fundación Simons, que patrocina también a Quanta, editorialmente independiente.

 Charlie Wood / Quanta Magazine

Artículo original traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Referencia: «Direct Detection of Black Hole-Driven Turbulence in the Centers of Galaxy Clusters», de Yuan Li et al., en arXiv:1911.06329 [astro-ph.GA].

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