La energía espectral pone en duda las teorías establecidas

Los astrónomos han descubierto que la distribución espectral de energía de un cuásar no se ve afectada por su brillo, desafiando las teorías tradicionales y enfatizando el papel de los vientos del disco de acreción.

El profesor asociado Zhenye Cai y el profesor Junxian Wang del Departamento de Astronomía de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia China de Ciencias (CAS), mediante el estudio de la radiación óptica hasta ultravioleta extrema generada por la acumulación de radiación ultravioleta descubierta. Los agujeros negros supermasivos en los centros de los cuásares tienen una distribución de energía espectral que es independiente del brillo intrínseco de los cuásares, lo que trastoca la comprensión convencional en este campo.

Además, su estudio reveló una diferencia significativa en la distribución de energía espectral UV máxima promedio de los cuásares con respecto a las predicciones de la teoría clásica de los discos de acreción. Este descubrimiento desafía el modelo clásico y proporciona un apoyo significativo para los modelos que incluyen vientos de disco de acreción a gran escala. Los resultados se publicaron en línea el 5 de octubre de 2023 en astronomía de la naturaleza.

Figura 1: Ilustración artística de un agujero negro supermasivo que acumula gas y brilla en el disco de acreción. Fuente de la imagen: NASA/JPL-Caltech

Fondo de cuásar

Los cuásares son una clase de objetos extragalácticos extremadamente brillantes, cuyos agujeros negros supermasivos en sus centros devoran constantemente gas en las regiones centrales de sus galaxias anfitrionas. Se libera una enorme energía gravitacional sobre el disco de acreción compuesto de gas, convirtiéndola en energía térmica y radiación electromagnética, lo que da como resultado un núcleo galáctico anormalmente brillante. A los cuásares también se les conoce como «gigantes cósmicos» debido a su luminosidad intrínseca excepcionalmente alta.

Según la teoría estándar de los discos de acreción, los discos de acreción producen la conocida “gran protuberancia azul” en la distribución de energía espectral, con un pico esperado en el ultravioleta extremo. Cuanto mayor sea la centralidad Agujero negroCuanto menor sea la temperatura esperada del disco de acreción, más suave se vuelve el espectro UV extremo. Las observaciones revelaron que los cuásares más brillantes (con masas de agujeros negros supermasivos más grandes) exhiben líneas de emisión relativamente más débiles (explicadas por espectros ultravioleta extremos más suaves), conocido como el famoso efecto Baldwin, que parece ser consistente con el modelo clásico de disco de acreción.

Figura 2: La pendiente de la distribución de energía espectral UV de los cuásares (eje derecho, puntos de datos huecos) es independiente del brillo intrínseco, lo que no puede explicar el efecto Baldwin (eje izquierdo, puntos de datos sólidos). Crédito: Universidad de Ciencia y Tecnología de China

Desafiando las teorías clásicas

La investigación del profesor asociado Zhenyi Cai y el profesor Junxian Wang se centra directamente en la distribución de energía espectral óptica a ultravioleta de grandes muestras de cuásares. Este estudio utiliza datos de observación del sistema SDSS terrestre y del sistema GALEX espacial para controlar la detección UV incompleta.

Descubrieron que la distribución promedio de energía espectral UV de los cuásares no depende de su brillo intrínseco, lo que no sólo indica que las variaciones en el brillo intrínseco no pueden explicar el efecto Baldwin, sino que también desafía las predicciones de la teoría estándar de los discos de acreción.

Al mismo tiempo, los investigadores sugieren un posible nuevo origen físico para el efecto Baldwin: los quásares más brillantes tienen fluctuaciones de temperatura del disco de acreción más débiles y, por lo tanto, no pueden liberar más nubes de líneas de emisión.

Figura 3: Distribución promedio de energía espectral óptica a ultravioleta de los cuásares (puntos de datos rojos), mucho más suave que las predicciones estándar del disco de acreción (panel izquierdo), pero consistente con las predicciones del modelo de viento del disco (panel derecho). Crédito: Universidad de Ciencia y Tecnología de China

Proponer un nuevo modelo.

Además, el estudio corrigió los efectos de la absorción en el medio intergaláctico y encontró que el espectro ultravioleta extremo promedio de los cuásares es más suave que todos los resultados de investigaciones anteriores. Esta discrepancia plantea un desafío importante para el modelo estándar de discos de acreción, pero concuerda con las predicciones de un modelo que incluye vientos de discos de acreción, lo que sugiere vientos de discos generalizados en los cuásares.

Los resultados de este estudio tienen implicaciones de amplio alcance para una comprensión más profunda de diversos aspectos de la física de la acreción de agujeros negros supermasivos, el crecimiento masivo de los agujeros negros, la reionización cósmica, el origen de las regiones de banda ancha, la extinción del polvo ultravioleta extremo y más. En el futuro, los proyectos de satélites con capacidad de detección ultravioleta, como el Telescopio de la Estación Espacial de China (CSST), mejorarán enormemente nuestra comprensión de las propiedades físicas de los quásares y objetos celestes similares.

Referencia: “Distribución global promedio de energía espectral de los cuásares desde el nivel óptico hasta el ultravioleta extremo” por Zhen-Yi Cai, Jun-Xian Wang, 5 de octubre de 2023, astronomía de la naturaleza.
doi: 10.1038/s41550-023-02088-5