Investigación

Utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST), un equipo internacional de astrónomos liderado por la Universidad de Montreal y la investigadora y academica Valeria Olivares de la Universidad de Santiago de Chile, ha obtenido la imagen más completa hasta la fecha de cómo un agujero negro supermasivo se alimenta y mantiene su actividad, acercando al campo a la resolución de un antiguo misterio de la astrofísica.

Los resultados tras estas observaciones fueron publicados el pasado 14 de julio en The Astrophysical Journal Letters.

“Prácticamente todas las galaxias grandes del Universo albergan en su centro un agujero negro supermasivo (SMBH), con masas de millones o incluso miles de millones de veces la masa del Sol. Cuando estos agujeros negros capturan activamente material de su entorno, se encienden como auténticos motores cósmicos, lanzando potentes chorros de energía que pueden moldear toda la galaxia que los rodea. Estos procesos pueden frenar la formación de nuevas estrellas e influir en la manera en que la galaxia evoluciona y crece con el tiempo”, comentaron los investigadores. Es así, como los astrónomos denominan a estos agujeros negros activos núcleos galácticos activos.

Y, a pesar de décadas de investigación, una pregunta fundamental ha desconcertado a los científicos durante años. Si los chorros de energía producidos por un AGN calientan el gas que lo rodea, en principio deberían impedir que ese gas se enfríe y caiga hacia el agujero negro, cortando así su fuente de alimentación. Entonces, ¿cómo logra el agujero negro seguir acumulando materia y continuar creciendo?

La teoría predominante es que el gas eventualmente se enfría nuevamente, se condensa en largas y delgadas corrientes llamadas filamentos, y vuelve a caer hacia el centro de la galaxia. El SMBH alimenta el proceso que alimenta al SMBH; es un sistema autorregulado. A pesar de décadas de búsqueda, observar directamente cómo estos filamentos se conectan realmente con el agujero negro ha resultado muy difícil. Esa conexión, una especie de eslabón perdido, es exactamente lo que revela este nuevo estudio.

UNA ESPIRAL SE CONVIERTE EN UN DISCO EN ROTACIÓN

El equipo apuntó el telescopio JWST hacia NGC 4696, la galaxia central del Cúmulo de Centauro, un denso grupo de galaxias situado a unos 145 millones de años luz de la Tierra y uno de los mejores laboratorios para estudiar los mecanismos de los AGN.

Imágenes previas obtenidas con el Telescopio Espacial Hubble (HST) habían revelado una curiosa estructura de espiral gas en forma de S cerca en las vecindades del agujero negro central de la galaxia. Sin embargo, Hubble sólo podía capturar una imagen de la ubicación del gas, pero no de cómo este se estaba moviendo.

Con casi 8 horas de tiempo de observación utilizando el instrumento NIRSpec del JWST, el equipo produjo mapas detallados del movimiento del gas en las profundidades de la esfera de influencia del agujero negro, con una resolución lo suficientemente alta como para distinguir estructuras de aproximadamente 30 años luz — una fracción diminuta dentro de una galaxia que se extiende por cientos de miles de años luz.

Estos mapas revelaron que la estructura en forma de S es en realidad un disco giratorio de gas que rodea al agujero negro supermasivo, con un tamaño de casi 800 años luz de diámetro, y con material desplazándose a velocidades de hasta 600 kilómetros por segundo. Y, de manera crucial, este disco parece estar físicamente conectado a uno de los grandes filamentos de gas en caída que se extienden hacia el exterior de la galaxia. Las observaciones mostraron gas fluyendo a lo largo del filamento, alimentando el disco y, desde este, cayendo finalmente en el agujero negro supermasivo.

"Lo que el JWST está revelando es que los agujeros negros podrían ser los recicladores cósmicos definitivos", afirmó Julie Hlavacek-Larrondo, profesora de la Université de Montréal y autora principal del estudio.

"Liberan enormes cantidades de energía que calientan su entorno, pero ese mismo gas puede enfriarse posteriormente y condensarse en delgados filamentos que vuelven a caer hacia el interior, alimentando nuevamente al agujero negro. Finalmente estamos observando este ciclo en acción”, complementó.

CERRANDO EL CICLO

El estudio ayuda a los astrónomos a construir una imagen más completa del ciclo de alimentación de un agujero negro supermasivo. Los chorros producidos por el agujero negro inyectan energía en el gas que rodea a la galaxia. Con el tiempo, ese gas se enfría, se vuelve inestable y colapsa formando largos filamentos, algunos de apenas unos pocos cientos de años luz de ancho, pero que pueden extenderse por miles de años luz. Las fuerzas magnéticas disipan el momento angular del gas a medida que este cae, guiándolo hacia el interior. El material se acumula en un disco giratorio alrededor del agujero negro. El disco alimenta al agujero negro. El agujero negro lanza sus chorros. Y el ciclo comienza de nuevo.

Para comprobar si esta explicación se sostiene, el equipo también realizó simulaciones computacionales de última generación del sistema. El comportamiento del gas en las simulaciones coincidió estrechamente con lo observado por el JWST, proporcionando una sólida evidencia independiente a favor del escenario propuesto.

Una estructura de disco similar ya había sido observada anteriormente en otra galaxia, NGC 1275, ubicada en el Cúmulo de Perseus, utilizando el observatorio Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Estos nuevos resultados en NGC 4696 sugieren que este mecanismo de reciclaje podría ser común en las galaxias masivas de todo el Universo.

Estos hallazgos han impulsado un amplio esfuerzo observacional dedicado a la galaxia NGC 4696 y a sistemas similares, con programas ya aprobados para el JWST y campañas complementarias que utilizarán instalaciones como el Very Large Telescope (VLT) en Chile, el Very Long Baseline Array (VLBA) en Nuevo México y el Event Horizon Telescope (EHT), que obtuvo la primera imagen de un agujero negro en 2019. En conjunto, estos datos ayudarán a mejorar nuestra comprensión de cómo los agujeros negros se alimentan a sí mismos y de qué manera regulan el crecimiento y la evolución de las galaxias a lo largo del Universo.