La galaxia Circinus, situada a unos 13 millones de años luz de distancia, contiene un agujero negro supermasivo activo que continúa influyendo en su evolución. Se creía que la mayor fuente de luz infrarroja de la región más cercana al agujero negro provenía de flujos de salida, o corrientes de materia sobrecalentada que se expulsan hacia el exterior.
Imagen: Galaxia Circinus (Hubble y Webb)
Imagen: NASA, ESA, CSA, Enrique López-Rodríguez (Universidad de Carolina del Sur), Deepashri Thatte (STScI); Procesamiento de imágenes: Alyssa Pagan (STScI); Agradecimientos: Laboratorio Nacional de Investigación de Gases (NOIRLab) de la NSF, CTIO
Ahora, nuevas observaciones del Telescopio Espacial James Webb de la NASA, que se muestran aquí junto con una nueva imagen del Telescopio Espacial Hubble de la NASA, aportan evidencia que revierte esta teoría, sugiriendo que la mayor parte del material caliente y polvoriento alimenta en realidad al agujero negro central. La técnica empleada para recopilar estos datos también tiene el potencial de analizar los componentes de flujo de salida y acreción de otros agujeros negros cercanos.
La investigación, que incluye la imagen más nítida del entorno de un agujero negro jamás tomada por el Webb, se publicó el martes en Nature.
Pregunta sobre el flujo de salida
Los agujeros negros supermasivos como los de Circinus se mantienen activos consumiendo la materia circundante. El gas y el polvo que caen se acumulan en un anillo con forma de rosquilla alrededor del agujero negro, conocido como toro. A medida que los agujeros negros supermasivos absorben materia de las paredes internas del toro, forman un disco de acreción, similar a un remolino de agua que gira alrededor de un desagüe. Este disco se calienta por fricción, hasta alcanzar la temperatura suficiente para emitir luz. Esta materia brillante puede alcanzar tal brillo que resulta difícil visualizar los detalles del centro de la galaxia con telescopios terrestres. Esto se complica aún más debido a la brillante luz estelar que oculta el interior de Circinus. Además, dado que el toro es increíblemente denso, la región interna del material que cae, calentado por el agujero negro, queda oculta a nuestra vista. Durante décadas, los astrónomos se enfrentaron a estas dificultades, diseñando y mejorando modelos de Circinus con la mayor cantidad de datos posible.
Imagen: Centro Galáctico de Circinus (Concepto artístico)
“Para estudiar el agujero negro supermasivo, a pesar de no poder resolverlo, tuvieron que obtener la intensidad total de la región interna de la galaxia en un amplio rango de longitudes de onda y luego incorporar esos datos a los modelos”, explicó el autor principal, Enrique López-Rodríguez, de la Universidad de Carolina del Sur.
Los primeros modelos ajustaban los espectros de regiones específicas, como las emisiones del toroide, las del disco de acreción más cercano al agujero negro o las de los flujos de salida, cada una detectada en ciertas longitudes de onda de luz. Sin embargo, dado que la región no podía resolverse en su totalidad, estos modelos planteaban interrogantes en varias longitudes de onda. Por ejemplo, algunos telescopios podían detectar un exceso de luz infrarroja, pero carecían de la resolución necesaria para determinar su procedencia exacta.
“Desde la década de 1990, no ha sido posible explicar el exceso de emisiones infrarrojas que provienen del polvo caliente en los núcleos de las galaxias activas, lo que significa que los modelos solo tienen en cuenta el toroide o los flujos de salida, pero no pueden explicar ese exceso”, explicó López-Rodríguez.
Estos modelos descubrieron que la mayor parte de la emisión (y, por lo tanto, la masa) cerca del centro provenía de flujos de salida. Para comprobar esta teoría, los astrónomos necesitaban dos cosas: la capacidad de filtrar la luz estelar, que anteriormente impedía un análisis más profundo, y la capacidad de distinguir las emisiones infrarrojas del toroide de las de los flujos de salida. El Webb, con la sensibilidad y la tecnología necesarias para afrontar ambos retos, era necesario para avanzar en nuestra comprensión.
La innovadora técnica del Webb
Para observar el centro de Circinus, Webb necesitaba el Interferómetro de Enmascaramiento de Apertura de su instrumento NIRISS (Cámara de Imágenes de Infrarrojo Cercano y Espectrógrafo sin Rendija).
En la Tierra, los interferómetros suelen adoptar la forma de conjuntos de telescopios: espejos o antenas que funcionan conjuntamente como si fueran un solo telescopio. Un interferómetro logra esto recopilando y combinando la luz de la fuente a la que apunta, lo que provoca que las ondas electromagnéticas que componen la luz interfieran entre sí (de ahí el nombre de “interferómetro”) y creen patrones de interferencia. Estos patrones pueden ser analizados por los astrónomos para reconstruir el tamaño, la forma y las características de objetos distantes con mucho mayor detalle que con técnicas no interferométricas.
El Interferómetro de Enmascaramiento de Apertura permite al Webb convertirse en un conjunto de telescopios más pequeños que trabajan juntos como un interferómetro, creando estos patrones de interferencia por sí mismo. Esto se logra mediante el uso de una apertura especial compuesta por siete pequeños orificios hexagonales que, como en la fotografía, controlan la cantidad y la dirección de la luz que entra en los detectores del telescopio.
“Estos orificios en la máscara se transforman en pequeños colectores de luz que guían la luz hacia el detector de la cámara y crean un patrón de interferencia”, explicó Joel Sánchez-Bermúdez, coautor del estudio, de la Universidad Nacional Autónoma de México.
Con nuevos datos disponibles, el equipo de investigación pudo construir una imagen a partir de los patrones de interferencia de la región central. Para ello, referenciaron datos de observaciones previas para garantizar que los datos del Webb estuvieran libres de artefactos. Esto resultó en la primera observación extragaláctica realizada con un interferómetro infrarrojo en el espacio.
“Al usar un modo de imagen avanzado de la cámara, podemos duplicar su resolución en un área más pequeña del cielo”, afirmó Sánchez-Bermúdez. “Esto nos permite ver imágenes el doble de nítidas. En lugar del diámetro de 6,5 metros del Webb, es como si estuviéramos observando esta región con un telescopio espacial de 13 metros”.
Los datos mostraron que, contrariamente a los modelos que predecían que el exceso de infrarrojo proviene de las emanaciones, alrededor del 87 % de las emisiones infrarrojas del polvo caliente en Circinus provienen de las áreas más cercanas al agujero negro, mientras que menos del 1 % de las emisiones provienen de emanaciones de polvo caliente. El 12 % restante proviene de distancias más lejanas que antes no se podían distinguir.
“Es la primera vez que se utiliza un modo de alto contraste del Webb para observar una fuente extragaláctica”, afirmó Julien Girard, coautor del artículo e investigador principal del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial. Esperamos que nuestro trabajo inspire a otros astrónomos a utilizar el modo Interferómetro de Enmascaramiento de Apertura para estudiar estructuras polvorientas, tenues pero relativamente pequeñas, en las proximidades de cualquier objeto brillante.
Universo de agujeros negros
Si bien el misterio del exceso de emisiones de Circinus se ha resuelto, existen miles de millones de agujeros negros en nuestro universo. El equipo señala que aquellos con diferentes luminosidades podrían influir en si la mayoría de las emisiones provienen del toroide de un agujero negro o de sus flujos de salida.
“El brillo intrínseco del disco de acreción de Circinus es muy moderado”, afirmó López-Rodríguez. “Por lo tanto, es lógico que las emisiones estén dominadas por el toroide. Pero quizás, en el caso de los agujeros negros más brillantes, las emisiones estén dominadas por el flujo de salida”.
Con esta investigación, los astrónomos cuentan ahora con una técnica probada para investigar cualquier agujero negro que deseen, siempre que sea lo suficientemente brillante como para que el Interferómetro de Enmascaramiento de Apertura sea útil. El estudio de objetivos adicionales será esencial para crear un catálogo de datos de emisiones y determinar si los resultados de Circinus fueron únicos o característicos de un patrón. “Necesitamos una muestra estadística de agujeros negros, quizás una o dos docenas, para comprender cómo se relaciona la masa en sus discos de acreción y sus flujos de salida con su potencia”, afirmó López-Rodríguez.
El Telescopio Espacial James Webb es el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo. El Webb resuelve misterios en nuestro sistema solar, observando más allá de los mundos distantes alrededor de otras estrellas e investigando las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. El Webb es un programa internacional liderado por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la CSA (Agencia Espacial Canadiense).
Para obtener más información en Inglés sobre el Webb, visite https://science.nasa.gov/webb
Traducción no oficial del artículo original en Inglés.
Créditos: NASA