Los astrónomos observan la alimentación y retroalimentación del agujero negro supermasivo en subsubescalas

Un equipo de investigación internacional dirigido por Takuma Izumi, profesor asistente del Observatorio Astronómico Nacional de Japón, ha logrado un logro notable al observar el cercano núcleo galáctico activo de la galaxia Circinus, a una resolución extremadamente alta (aproximadamente un año luz) utilizando el Atakama. Gran conjunto milimétrico/submilimétrico (ALMA).

Estos resultados de observación, titulados «Alimentación y retroalimentación de agujeros negros supermasivos observados en subsubescalas», esta publicado en Ciencias.

Se trata de la primera medición cuantitativa del mundo de los flujos de gas y su estructura en las inmediaciones, hasta la escala de unos pocos años luz, de un agujero negro supermasivo en todas las fases gaseosas, incluidas la plasma, la atómica y la molecular. Como resultado, el equipo capturó claramente el flujo de acreción que se dirige hacia el agujero negro supermasivo y reveló que este flujo de acreción es generado por un mecanismo físico conocido como «inestabilidad gravitacional».

Además, el equipo también descubrió que una parte importante de este flujo de acreción no se utiliza para el crecimiento del agujero negro. En cambio, la mayor parte del gas es expulsado de las proximidades del agujero negro en forma de chorros atómicos o moleculares y regresa al disco de gas para participar una vez más en el flujo de acreción hacia el agujero negro: este proceso de reciclaje de gas se asemeja a una fuente de agua. . Estos resultados representan un progreso crucial hacia una comprensión integral de los mecanismos de crecimiento de los agujeros negros supermasivos.

En el centro de muchas galaxias masivas se encuentran «agujeros negros supermasivos» con una masa superior a un millón de veces la masa del Sol. ¿Cómo se forman estos agujeros negros supermasivos? Un mecanismo de crecimiento crucial sugerido por investigaciones anteriores es la «acumulación de gas» en el agujero negro. Esto se refiere al proceso en el que el gas de la galaxia anfitriona cae de alguna manera hacia el agujero negro central.

El gas que se acumula cerca de los agujeros negros supermasivos acelera a altas velocidades debido a la gravedad del agujero negro. Como resultado de la intensa fricción entre las moléculas de gas, este gas se calienta a temperaturas de varios millones de grados y emite una luz brillante. Este fenómeno se conoce como núcleo galáctico activo (AGN) y su brillo en ocasiones puede superar la luz combinada de todas las estrellas de la galaxia. Curiosamente, se cree que parte del gas que cae hacia el agujero negro (flujo de acreción) es arrastrado por la enorme energía de este núcleo galáctico activo, lo que da lugar a flujos de salida.

Tanto los estudios teóricos como los observacionales han proporcionado información detallada sobre los mecanismos de acumulación de gas desde la escala de galaxias de 100.000 años luz hasta la escala de unos pocos cientos de años luz en el centro. Sin embargo, la acumulación de gas en una región mucho más pequeña, especialmente a unas pocas decenas de años luz del centro galáctico, sigue sin estar clara debido a su escala espacial muy limitada.

Por ejemplo, para comprender cuantitativamente el crecimiento de los agujeros negros, es necesario medir el caudal acumulado (la cantidad de gas que sale) y determinar las cantidades y tipos de gases (plasma, gas atómico, gas molecular) que se expulsan. como salidas a tan pequeña escala. Desafortunadamente, la comprensión observacional a este respecto no ha avanzado significativamente hasta la fecha.

En este estudio, el equipo de investigación logró capturar por primera vez el flujo de acreción que se dirige hacia el agujero negro supermasivo dentro del disco de gas de alta densidad que se extiende a varios años luz del centro de la galaxia. Identificar este flujo de acreción ha sido durante mucho tiempo una tarea difícil debido al pequeño tamaño de la región y a los complejos movimientos del gas cerca del centro galáctico.

Sin embargo, en este caso, el equipo de investigación identificó el lugar donde el gas molecular en primer plano absorbía luz del fondo brillante del núcleo galáctico activo. Esta determinación fue posible gracias a observaciones de alta resolución con ALMA. Un análisis detallado reveló que este material absorbente se está alejando de nosotros. Dado que la materia absorbida siempre está presente entre el AGN y nosotros, esto indica que el equipo ha capturado con éxito el flujo de acreción hacia el AGN.

Además, el equipo de investigación también aclaró el mecanismo físico responsable de estimular la acumulación de gas. El propio disco de gas observado exhibía una fuerza gravitacional tan fuerte que no podía mantenerse mediante la presión calculada a partir del movimiento del disco de gas.

Cuando surge esta condición, el disco de gas colapsa por su propio peso, forma estructuras complejas y se vuelve incapaz de mantener un movimiento estable en el centro galáctico. Como resultado, el gas cae rápidamente hacia el agujero negro central. Ahora ALMA ha revelado claramente este fenómeno físico conocido como “inestabilidad gravitacional” en el núcleo de la galaxia.

Además, este estudio contribuyó significativamente al desarrollo de la comprensión cuantitativa de los flujos de gas alrededor del núcleo galáctico activo. A partir de la densidad del gas observada y la velocidad del flujo de acreción, se puede calcular la tasa de acreción a la que se suministra gas al agujero negro. Sorprendentemente, esta tasa es 30 veces mayor de lo que realmente se requiere para mantener la actividad de este núcleo galáctico activo.

En otras palabras, la mayor parte del flujo de acreción en una escala de un año luz alrededor del centro galáctico no contribuyó al crecimiento del agujero negro. ¿A dónde se fue este excedente de gas? Este misterio también se ha desvelado en este estudio: observaciones de alta sensibilidad de todas las fases de los gases (molecular, densidad atómica y plasma de densidad intermedia; correspondientes a las regiones roja, azul y rosa en la primera imagen de arriba) con la detección de gas activo de ALMA. salidas. Núcleo galáctico.

Mediante análisis cuantitativos se reveló que la mayor parte del gas que fluyó hacia el agujero negro fue expulsado en forma de chorros atómicos o moleculares. Sin embargo, debido a su baja velocidad, no pudo escapar del potencial gravitacional del agujero negro, por lo que finalmente volvió a caer en el disco de gas. Allí fue reciclado nuevamente en un flujo de acreción hacia el agujero negro, asemejándose a una fuente, completando así el maravilloso proceso de reciclaje de gas en el centro de la galaxia (segunda imagen).

Respecto a los logros de este estudio, Izumi dice: “Detectar flujos y salidas de acreción en una región a sólo unos años luz de distancia alrededor de un agujero negro supermasivo en crecimiento activo, especialmente en gas multifásico, e incluso descifrar el propio mecanismo de acreción, es verdaderamente monumental.» «Logros en la historia de la investigación de agujeros negros supermasivos».

«Para comprender exhaustivamente el crecimiento de los agujeros negros supermasivos en la historia cósmica, necesitamos estudiar diferentes tipos de agujeros negros supermasivos que se encuentran muy lejos de nosotros. Esto requiere alta resolución y alta sensibilidad», continúa. observaciones, tenemos grandes expectativas para el uso futuro de ALMA, así como para los grandes radiointerferómetros que llegarán en la próxima generación.