El aliento de los agujeros negros

A gran escala, el mapa del Universo se asemeja a la red de autopistas de un país grande: las galaxias se distribuyen a lo largo de filamentos enredados, las «autopistas», rodeadas de regiones más desiertas, las «Campañas». En las intersecciones, donde se encuentran muchos filamentos, se encuentran las grandes «aglomeraciones»: los grupos de galaxias. Estos grupos gigantescos, con un diámetro del orden de diez millones de años luz, son los objetos más grandes del Universo cuya coherencia interna está garantizada por la gravitación. Los filamentos más extensos no están vinculados gravitacionalmente.

Esta consistencia significa que los componentes de los grupos han alcanzado un equilibrio dinámico general. Las galaxias se mueven dentro del grupo, mientras permanecen confinadas por la materia oscura, esta forma de materia misteriosa detectable solo a través de sus efectos gravitacionales. Las interacciones de los componentes del clúster producen un conjunto de fenómenos que los astrónomos apenas comienzan a comprender. Al igual que las metrópolis en la Tierra, los grupos no son solo la suma de sus habitantes. Los procesos de todo el grupo pueden controlar fenómenos a escalas mucho más pequeñas, como el crecimiento de galaxias y la alimentación de alfombras supermasivas de agujeros negros en el corazón de estas galaxias. A cambio, los agujeros negros expulsan a alta velocidad cantidades fenomenales de materia que influyen en la evolución del cúmulo en su conjunto. A primera vista, este vínculo entre dos escalas diferentes parece extraño: un agujero negro supermasivo es menos extenso que el Sistema Solar y, traído de vuelta a nuestra escala, es como si una mariposa afectara a toda la Tierra. Sin embargo, esta conexión permite resolver un problema de larga data, el de las «ondas de enfriamiento».

Las galaxias de un racimo se bañan en gas caliente, cuya masa excede la de todas las galaxias en el cúmulo. Este gas, calentado en primer lugar por la lenta contracción gravitacional del cúmulo, emite rayos X hace dos décadas, Las primeras observaciones de rayos X desde el espacio de este gas revelaron que irradia tan intensamente que debe enfriarse rápidamente y, por lo tanto, contraerse y colapsar hacia el centro del grupo, de ahí el término enfriamiento de las ondas.

Uno de nosotros (A. Fabian) estudió estos flujos con el telescopio espacial de rayos X de la NASA, luego con su sucesor alemán rosat en las décadas de 1980 y 1990. Con sus colegas, calculó que si las olas persistieron durante varios miles de millones de años, la acumulación de gas en las regiones centrales de los grupos debería haber resultado en la formación de millones de miles de millones de nuevas estrellas. Sin embargo, a pesar de la investigación, los astrónomos no han encontrado el rastro de estas hordas de estrellas jóvenes, ni las concentraciones de gas frío.

Otro de nosotros, W. Tucker, sugirió que no existen ondas de enfriamiento permanentes. La energía liberada por la galaxia central del cúmulo podría calentar el gas lo suficiente como para compensar el enfriamiento radiativo. Los radioastrónomos han acumulado pistas para tales erupciones permanentes durante años. Sin embargo, la energía entregada y el volumen afectado no son lo suficientemente grandes como para detener las ondas de enfriamiento. La paradoja permaneció intacta: el gas caliente de los grupos debe enfriarse, pero el producto de este enfriamiento escapó a la detección.

Resolver esta paradoja fue el objetivo principal de los telescopios espaciales x Chandra, de la NASA, y xmm-Newton, de la Agencia Espacial Europea, lanzados en 1999. A medida que el gas de los grupos pierde su energía bastante lentamente, realiza un seguimiento de la actividad pasada del grupo durante unos pocos miles de millones de años. Por ejemplo, las explosiones de supernovas en galaxias están impresas en gas. Al igual que los arqueólogos que exhuman el pasado, los astrónomos han usado nuevos telescopios para extraer estos vestigios y reconstruir la historia de los cúmulos de galaxias.

Burbujas en gas

El grupo más brillante en rayos X es el grupo de Perseo, debido a su brillo intrínseco significativo y proximidad (aproximadamente 300 millones de años luz). En 1990, Rosat destacó dos gigantescas cavidades de gas en una región de 50,000 años luz de diámetro en el centro del grupo (ver Figura 2). Estas estructuras se parecen a un reloj de arena centrado en la galaxia gigante ngc 1275. Al examinarlos con más detalle con Chandra, A. Fabian y sus colegas han demostrado que estas cavidades están alineadas con los chorros visibles en las ondas de radio que emanan del centro de la galaxia gigante, observados en otros lugares. Estas burbujas no están vacías, sino que están llenas de un escaso gas de partículas energéticas, como protones y electrones, en interacción con campos magnéticos. Se expanden al repeler el gas caliente circundante.

Tales cavidades también son visibles en otros grupos. Brian McNamara de la Universidad de Waterloo en Ontario y sus colegas descubrieron cavidades asociadas con transmisiones de radio en los grupos Hydra, Hercules y Abell 2597 usando Chandra. También encontraron cavidades brillantes tanto en ondas de radio como en rayos X, lo que sugiere que las partículas que contienen disiparon gran parte de su energía. Estas «cavedades fantasma», separadas de la galaxia central, son quizás los vestigios de burbujas que se han desarrollado en el centro del cúmulo en el pasado.

MS 0735.6 + 7421 es el grupo más espectacular observado por Chandra hasta la fecha. Aunque las imágenes obtenidas no tienen una resolución tan alta como las del grupo de Perseo, cuentan una historia sorprendente. Cada una de las dos cavidades abarca 600,000 años luz a cada lado del centro, seis veces el tamaño de la Vía Láctea. Esta escala, así como la densidad y temperatura del gas que los rodea, indican que tienen 100 millones de años y que contienen una energía equivalente a la de diez mil millones de supernovas.

Tal energía es suficiente para resolver la paradoja de las ondas de enfriamiento. John Peterson, ahora en la Universidad de Purdue en Indiana, y otros han demostrado usando espectros recolectados por el telescopio xmm-Newton que no hay ondas de enfriamiento en grupos con cavidades. Las burbujas evitarían que el gas se enfriara transfiriéndole su energía. Pero cómo ?

Olas creadas por burbujas

La primera respuesta que viene a la mente es que las burbujas generan poderosas ondas de choque supersónicas. El material expulsado por la explosión comprimiría las partículas del gas ambiental en una capa delgada, y las colisiones dentro de este frente de onda convertirían la energía cinética de la explosión en calor. Tales ondas de choque, similares a las resultantes de una explosión en la atmósfera de la Tierra, ocurren en muchos fenómenos cósmicos, como las supernovas.

Por desgracia, con cada problema complejo, hay un problema simple y claro … y una solución falsa, y el calentamiento del gas intergaláctico es una ilustración de esto: las delgadas conchas calientes que deberían producirse por ondas de choque violentas nunca se han observado. Además, solo el gas de las regiones centrales del grupo se calentaría con tales ondas de choque.

La transferencia de energía por ondas acústicas es un mecanismo de calentamiento de gas más plausible. El medio intergaláctico dentro de los grupos puede ser tenue, unos pocos miles de átomos de hidrógeno por metro cúbico, las ondas acústicas aún pueden extenderse allí. Se aceleran para evolucionar en ondas apenas supersónicas que pueden calentar el gas gradualmente.

Al analizar las imágenes del grupo de Perseo, el equipo de A. Fabian ha resaltado una serie de ondas casi concéntricas que respaldan esta idea. La densidad y la presión del gas (pero no su temperatura) varían bruscamente en la onda más central, una señal de que es una onda de choque, sin embargo, relativamente baja. En las ondas externas, por otro lado, la densidad y la presión varían lentamente, lo que indica que se trata de ondas acústicas. El espacio entre las crestas (35,000 años luz) y la velocidad del sonido en el gas, estimada en 1,170 kilómetros por segundo, implican que unos diez millones de años separan los eventos que causan las olas. El tono de la onda acústica emitida por la galaxia central del cúmulo de Perseo corresponde a un plano de casi 58 octavas más grave de lo habitual.

Desde entonces se han detectado estructuras similares en el grupo más cercano a nosotros, ubicado a unos 50 millones de años luz de distancia, el grupo Virgo. William Forman, del Centro Astrofísico Smithsonian en Harvard, y sus colegas observaron con el telescopio Chandra la galaxia dominante de este cúmulo, M87. Identificaron una red de estructuras filamentosas, cada una de las cuales mide aproximadamente 1,000 años luz de sección y 50,000 años luz de longitud. Estos filamentos, como las olas en el cúmulo de Perseo, serían producto de ondas acústicas generadas por el crecimiento de una serie de burbujas, causadas por respiraciones de energía espaciadas con seis millones de años de diferencia.

El equipo de W. Forman también detectó un anillo de emisión más cálido con un radio de aproximadamente 40,000 años luz que probablemente corresponde al frente de una onda de choque modesta, así como una gran cavidad en el gas a unos 70,000 años luz del centro de la galaxia.

¿Cómo calienta el gas la energía transportada por estas ondas acústicas? ? Según las observaciones del cúmulo de Perseo, la temperatura de las ondas internas no aumenta al cruzar el frente de la onda de choque. Esto sugiere que la conducción térmica permite que la energía de las partículas de gas calentadas por las ondas de choque se difunda rápidamente; o electrones muy energéticos podrían brotar de las cavidades o de la parte posterior de la onda y calentar el gas. En cualquier escenario, la temperatura del ambiente se iguala rápidamente, lo que explicaría por qué no hay un aumento de la temperatura en el sitio de choque.

Agujeros negros, motores de gas real

Queda por entender cómo se forjaron las cavidades. Un solo tipo de estrella puede liberar suficiente energía para esto: agujeros negros supermasivos, monstruos de miles de millones de masas solares escondidas en el corazón de las galaxias. Al contrario de lo que a veces imaginamos, los agujeros negros no engullen todo el material que pasa a su alcance. En realidad, expulsan la mayor parte después de acelerarlo. Los mecanismos de esta expulsión han sido objeto de numerosos estudios en los últimos años.

Un agujero negro es un motor enorme. Convierte la energía rotacional del material que cae sobre él en un movimiento rectilíneo y, por lo tanto, catapulta hacia el exterior una fracción del gas que lo alimenta. Este proceso fue propuesto a fines de la década de 1970 por Roger Blandford y Roman Znajek, luego en la Universidad de Cambridge. Un agujero negro giratorio conduce el espacio circundante con él, lo que refuerza la rotación del material acreditado. En consecuencia, las líneas del campo magnético transportadas por el gas ionizado se tuercen hasta que forman un «tornado electromagnético» que canaliza las partículas cargadas y las proyecta en dos chorros de direcciones opuestas, perpendiculares al eje de rotación. Cuanto más rápida sea la rotación del agujero negro, más potentes serán los chorros. Los agujeros negros que giran lentamente sobre sí mismos envuelven la mayor parte del gas acreditado, mientras que los agujeros negros de la bicicleta se expulsan hasta un cuarto.

Los modelos teóricos indican que la acumulación de gas acelera la rotación de los agujeros negros, cada volumen de gas envuelto produce un aumento en la velocidad de rotación, todo más bajo ya que el agujero negro es masivo. De hecho, varias observaciones independientes confirman que muchos agujeros negros giran lo suficientemente rápido como para generar chorros potentes. Un fenómeno similar también ocurre en la escala de los agujeros negros estelares, cuya masa alcanza unas pocas decenas de veces la del Sol como máximo. Pueden expulsar chorros de partículas poderosas a una velocidad cercana a la luz, que calientan y repelen el gas ambiental.

Los cálculos muestran que los chorros de agujeros negros tienen dos componentes. La parte externa del chorro está formada por una inundación de materia que se mueve a un tercio de la velocidad de la luz, mientras que la región interna, a lo largo del eje, contiene un gas enrarecido de partículas de muy alta energía. Este flujo interno transporta la mayor parte de la energía y da forma a las espectaculares estructuras observadas en ondas de radio y x.

Una de las características más notables de los aviones es su enfoque extremo: conservan la forma de un cepillo delgado durante cientos de miles de años luz, mucho más allá de los límites de su galaxia anfitriona. Quizás la presión del gas que prevalece cerca del agujero negro central permite que el chorro sea colimado desde el nacimiento; la inercia evitaría su dispersión, como para un chorro de agua que escapa de una tubería presurizada. El campo magnético retorcido que se conduce al mismo tiempo que el chorro también puede desempeñar un papel de contención.

Cualquiera que sea el mecanismo de contención y su efectividad, la densidad del gas que pasa a través de los chorros finalmente los ralentiza y los dispersa. Luego evolucionan en enormes nubes de partículas de alta energía bañadas en campos magnéticos, que se extienden y empujan el gas circundante para formar las cavidades observadas en los rayos X.

Resumamos el curso de los eventos, de acuerdo con el escenario más probable. Inicialmente, el gas en el cúmulo es muy caliente, y el agujero negro supermasivo ubicado en el corazón de una de las grandes galaxias centrales es tranquilo. Después de irradiar durante cien millones de años en rayos X, el gas de la región central del cúmulo se ha vuelto lo suficientemente frío como para contraerse y caer en la galaxia en cuestión. Una fracción se condensa en estrellas que enriquecen a la población de la galaxia central, mientras que otra parte cae a las afueras del agujero negro central. Se forma un disco de acreción alrededor de este último, y la acumulación de gas conduce a la aparición de potentes chorros de material. Los chorros, expulsados de la galaxia, entran al gas bañando el cúmulo y crean cavidades allí mientras lo calientan gradualmente. Este calentamiento ralentiza el flujo debido al enfriamiento.

Un ciclo de gas cósmico

Es como si el agujero negro supermasivo mordiera la mano que lo alimenta: al detener la caída del gas frío, sofoca su propia fuente de alimento, lo que lo condena a la inactividad. Los chorros luego colapsan y dejan de calentar el gas. Millones de años después, el gas en la región central del cúmulo se enfría nuevamente lo suficiente como para reiniciar un nuevo ciclo de crecimiento de la galaxia y su agujero negro supermasivo.

Este escenario está respaldado por imágenes de alta resolución en las longitudes de onda de radio y grupos x de la Virgen, Perseo, Hydra y otros, que muestran signos de erupciones en las proximidades de los agujeros negros supermasivos de las galaxias centrales. Anillos, cavidades y chorros de unos pocos miles a unos cientos de miles de años luz de duración son indicios a favor de una actividad que tuvo lugar de manera intermitente en estos grupos durante cientos de millones de años.

Una consecuencia de este ciclo de actividad es que los agujeros negros aún crecen a un ritmo rápido, contrario a lo que los astrónomos habían pensado por primera vez. En el caso del clúster ms 0735, se estima que el agujero negro supermasivo central ha absorbido el equivalente a 300 millones de soles en los últimos 100 millones de años, duplicando su masa. Sin embargo, el agujero negro central no muestra ninguno de los signos habituales de actividad en rayos X o luz visible. Es solo a través de cavidades en gas intergaláctico que uno puede detectar la actividad de dichos sistemas.

Las colisiones galácticas, frecuentes en las regiones centrales de los cúmulos de galaxias, sin duda contribuyen a este escenario. Una pequeña galaxia que pasa demasiado cerca de una galaxia gigante está destrozada. Sus estrellas están asimiladas y el gas que contiene cae hacia el agujero negro central, mientras que su posible agujero negro central se fusiona con el de la galaxia masiva. Las enormes cavidades observadas en el grupo ms 0735 son, sin duda, el resultado de una secuencia de eventos desencadenados por la fusión de dos galaxias, lo que causó una afluencia de gas sólido en el agujero negro supermasivo.

El estudio de colisiones arroja luz sobre la evolución de las galaxias en el Universo primitivo. En cierto sentido, los grupos son fósiles vivos, donde las condiciones que prevalecieron hace miles de millones de años todavía están vigentes, cuando las galaxias estaban cerca unas de otras y las fusiones frecuentes. Cada vez más resultados indican que muchos aspectos de la evolución de las galaxias (tamaño, forma o tasa de formación estelar) se explican en el marco de un ciclo de gas intergaláctico desencadenado por fusiones de galaxias. Las simulaciones digitales a gran escala de Philip Hopkins del Centro Astrofísico Smithsonian de Harvard y sus colegas han demostrado que la coalescencia de las galaxias ricas en gas desencadena explosiones de formación estelar y certificación de gas en las regiones centrales. El gas alimenta el crecimiento del agujero negro supermasivo central, de ahí la formación de chorros que expulsan una fracción del gas de la galaxia. La formación estelar se detiene repentinamente y la acreción en el agujero negro disminuye, hasta que ocurre una nueva fusión.

Este proceso fue frecuente y controló la evolución de las galaxias hasta hace ocho a diez mil millones de años. Desde entonces, el Universo se ha diluido demasiado, excepto dentro de los grupos. Si los agujeros negros supermasivos, cuya masa varía de unos pocos millones a unos cientos de millones de masas solares, tienen un impacto tan significativo en las galaxias 1,000 veces más masivas, es porque su naturaleza compacta las convierte en las fuentes de energía más poderosas de una galaxia. Usando una fracción de esta energía para impulsar poderosos chorros de materia en gas intergaláctico, el aliento de agujeros negros es uno de los procesos más importantes en el trabajo en el Universo.

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