agujeros

El jet impacta a la compañera en su borde y es alterado y desviado, parecido a como el chorro de agua de una manguera se se extenderá al chocar con una pared en cierto ángulo.

Cada longitud de onda muestra un aspecto diferente de este sistema conocido como 3C321. La imagen de rayos-X de Chandra provee evidencia de que cada galaxia contiene un agujero negro supermasivo en su centro. Las imágenes de Hubble en luz óptica (naranja) muestran el brillo de las estrellas en cada galaxia. Una región brillante en la imagen de radio de VLA y MERLIN muestra dónde impactó el jet -a unos 20.000 años luz de la galaxia principal- disipando parte de su energía. Una región aún más grande de emisión de radio detectada por VLA revela que el jet termina mucho más lejos de la galaxia, a una distancia de 850.000 años luz. La imagen UV de Hubble muestra grandes cantidades de gas caliente en la vecindad de las galaxias, indicando que los agujeros negros supermasivos en ambas galaxias tuvieron un violento pasado. Emisiones débiles de Chandra, Hubble y Spitzer (no mostrada en esta imagen), indican que las galaxias orbitan en dirección contraria al reloj.

Como los datos de Chandra indican que la aceleración de partículas aún ocurre en esa región, el jet habría chocado a la compañera galáctica hace relativamente poco tiempo, menos de un millón de años atrás. Este relativamente corto tiempo cósmico hace del evento un raro fenómeno.

Esta mortífera galaxia producirá grandes cantidades de radiación de alta energía, lo que causará daños severos a las atmósferas de cualquier planeta en la galaxia compañera que se encuentre en el camino del jet.

“Hemos visto muchos jets producidos por agujeros negros, pero es la primera vez que vemos uno golpear a otra galaxia” dice Dan Evans, científico del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics y líder del estudio.

Los jets de agujeros negros supermasivos producen gran cantidad de radiación, especialmente rayos-X y rayos gamma de alta energía, que pueden ser letales en grandes cantidades.

Los resultados de Evans y sus colegas aparecerán en The Astrophysical Journal.

“No esperábamos encontrar un agujero negro de masa estelar tan masivo”, dice Andrea Prestwich del Centro de Astrofísica de Harvard-Smithsonian, autora del paper a publicarse el 1º de noviembre en Astrophysical Journal Letters.

El agujero está localizado en la cercana galaxia enana IC 10 a 1.8 millones de años luz de la Tierra en la constelación Cassiopeia. El equipo pudo medir la masa del objeto porque tiene una compañera orbitante: una caliente y evolucionada estrella que eyecta gas en forma de viento. Algo de este material cae al agujero, se calienta y emite rayos-X antes de cruzar el punto de no retorno.

En noviembre de 2006, Prestwich y sus colegas observaron la galaxia enana con el Observatorio Chandra de rayos-X. El grupo descubrió que la más brillante fuente de rayos, IC 10 X-1, exhibe claros cambios en su brillo. Semejante comportamiento sugiere una estrella pasando periódicamente en frente de un agujero negro y bloqueando los rayos-X, creando un eclipse. A fines de noviembre, el satélite Switf confirmó los eclipses y reveló detalles acerca de la órbita de la estrella. La estrella en IC 10 X-1 parece orbitar en un plano que yace cercano a la línea de visión de la Tierra, con lo que se pudo calcular que el agujero negro tiene una masa de al menos 24 Soles.

Existen algunas incertidumbres sobre esta estimación, pero como hace notar Prestwich, “futuras observaciones ópticas proveerán un chequeo final. Los refinamientos en la medición probablemente aumentarán la masa del agujero más que reducirla”.

La masa del agujero sorprende porque las estrellas masivas generan poderosos vientos que eyectan mucho material antes que la estrella explote. Los cálculos sugieren que las estrellas masivas de nuestra galaxia dejan atrás agujeros negros no mayores a 15 Soles.

IC 10 X-1 ha ganado masa gracias a su compañera, pero la tasa es tan pequeña que el agujero sólo habría ganado 1 o 2 masas solares. “Este agujero negro nació gordo” dice el astrofísico Richard Mushotzky del Centro espacial Goddard.

La estrella progenitora probablemente comenzó su vida con 60 o más masas solares. Al igual que su galaxia huésped, seguramente era deficiente en elementos pesados. En las estrellas masivas con una gran fracción de elementos más pesados que el hidrógeno y helio, los electrones extras de por ejemplo carbono y oxígeno “sienten” la presión externa de la luz y son más susceptibles de ser barridos en los vientos estelares. Pero con una fracción baja de elementos pesados, el progenitor de IC 10 X-1 expulsó comparativamente poca masa antes de explotar, por lo que pudo dejar un agujero negro más pesado.

Los descubrimientos son también evidencia directa de que la mayoría, si no todas, las masivas galaxias en el Universo distante pasaron su juventud creando monstuosos agujeros negros en sus núcleos.

Por décadas, una larga población de activos agujeros se consideró “perdida”. Estos objetos pertenecen a una clase de agujeros llamados cuásares. Un cuásar consiste en una nube de gas (con forma de dona) que rodea y alimenta un agujero negro supermasivo en formación. Al ser devorados, el gas y el polvo se calientan y emiten rayos-X. Estos rayos pueden ser detectados pero usualmente los cuásares mismos no son vistos por estar bloqueados de nuestra vista por el polvo y el gas.

“Sabíamos por otros estudios desde hace 30 años que debía haber más cuásares en el Universo, pero no sabíamos dónde buscarlos, hasta ahora”, dice Daddi.

Daddi y su equipo inicialmente estudiaban 1000 galaxias masivas ocupadas en la creación de estrellas y se pensaba que carecían de cuásars. Las galaxias tienen una masa similar a la Vía Láctea, pero son irregulares en forma. A una distancia de entre 9 y 11 mil millones de años luz, existieron cuando el Universo estaba en su adolescencia, entre 2.5 y 4.5 mil millones de años de edad.

Cuando los astrónomos espiaron más de cerca las galaxias con la mirada infrarroja de Spitzer, notaron que unas 200 galaxias generaban una cantidad inusual de luz infrarroja. Datos de rayos-X de Chandra y una técnica llamada “stacking”, revelaron que las galaxias estaban ocultando cuásares en su interior. Los científicos piensan que los cuásares calentaron el polvo en sus nubes, liberando el exceso en infrarrojo.

Los nuevos descubrimientos ayudan a responder cuestiones fundamentales sobre cómo evolucionaron las galaxias masivas.

Las observaciones sugieren que las colisiones galácticas podrían no jugar un papel tan importante en la evolución como se pensaba.

Resultados consistentes se obtuvieron recientemente por Fabrizio Fiore del Observatorio de Roma y su equipo. Sus resultados aparecerán en la edición del 1º de enero de 2008 en Astrophysical Journal.

“La mayoría de los cuásar estaban activos en el Universo primitivo, que era más chico, por lo que las colisiones eran más frecuentes” dice Gabriela Canalizo de la Universidad de California, Riverside.

Estudio previos de esta galaxia con telescopios de suelo mostraron una galaxia normal, elíptica, conteniendo una vieja población de estrellas. Se necesitó la nítida mirada del Hubble y su ACS y la precisión espectroscópica del W.M.Keck en Hawaii para develar las débiles burbujas estelares.

Las nuevas observaciones revelan al menos cinco cáscaras interiores y escombros adicionales desde el centro galáctico. Las burbujas se parecen a las ondas que se forman en un estanque al tirar una piedra. Se formaron cuando una galaxia fue tironeada por las fuerzas de marea durante la colisión. Algunas de las estrellas fueron barridas del campo gravitacional, creando las burbujas o caparazones. La más lejana está a 40.000 años luz de distancia del centro.

Simulaciones computacionales estiman que el encuentro ocurrió hace 1.7 mil millones de años. La fusión mismo ocurrió durante unos pocos cientos de millones de años y avivó un torbellino de nacimientos estelares. Datos del Keck revelan que muchas de las estrellas en la galaxia son de 1.4 mil millones de años de edad, que es consistente con la edad de la fusión. Esta actividad ocurrió antes de que la luz dejara el cuásar y comenzara su largo viaje a la Tierra.

Las estrellas se están mezclando y eventualmente los caparazones se disiparán.

“Esta podría ser una fase transitoria, común en las elípticas, que dura sólo 100 millones a mil millones de años”, agrega Canalizo.

“La formación de burbujas y la actividad actual del cuásar podrían haberse disparado por una interacción entre dos grandes galaxias o entre una grande y una menor. Se necesitan observaciones espectroscópicas de alta resolución para determinar el tipo de fusión” dice Nicola Bennert, colega de Canalizo.

Los resultados aparecerán en la edición del 10 de noviembre en The Astrophysical Journal.

En la ilustración, un disco naranja rodea al agujero negro. El material es alimentado por los vientos de la estrella azul que orbita al objeto compacto. El viento es empujado hacia el agujero negro por su poderosa gravedad que también afecta a la estrella distorsionándola en la dirección del agujero haciéndola menos densa en esa región.

El recuadro inferior muestra una composición de datos del Observatorio de rayos-X Chandra (en azul) y del Telescopio Espacial Hubble. Los objetos brillantes en el recuadro son jóvenes y masivas estrellas alrededor de M33 X-7, y la fuente azul brillante es la propia M33 X-7. Rayos-X de Chandra revelan cuánto ha sido eclipsado el agujero negro por su compañera estelar, lo que indica el tamaño de la estrella.

M33, es una galaxia a unos 3 millones de años luz de la Tierra. Al combinar los datos de Chandra y el telescopio Gemini en Hawaii, la masa del agujero negro fue determinada en 15.7 veces la masa del Sol.

“Este descubrimiento aumenta las preguntas sobre cómo se pueden formar agujeros negros tan grandes”, dice Jerome Orosz de la Universidad de San Diego, autor líder del paper que aparece en la edición del 18 de octubre de Nature.

Las propiedades del sistema -un masivo agujero negro en órbita cercana a una masiva compañera- son difíciles de explicar usando los modelos convencionales de la evolución de estrellas masivas. La estrella original del agujero negro debe haber sido de una masa mucho mayor que la compañera.

Semejante estrella masiva debería haber tenido un radio mayor que la actual separación entre las estrellas, por lo que las estrellas se habrían acercado al compartir una atmósfera externa común. El proceso típico resulta en una gran cantidad de gas que se pierde en el sistema, tanto que la estrella original no habría podido formar un agujero negro de 15.7 masas solares.

El coautor Wolfgang Pietsch fue también redactor de un artículo en Astrophysical Journal, que usó observaciones de Chandra para reportar que M33 X-7 es el primer agujero negro en un sistema binario que sufre un eclipse.

“Nos sorprendimos al encontrar lo que parece ser reciente polvo en los vientos que salen de los agujeros negros supermasivos” dice Ciska Markwick-Kemper de la Universidad de Manchester, Inglaterra, autoer de un nuevo paper que aparecerá en una próxima edición de Astrophysical Journal Letters.

El polvo del espacio es esencial para la formación de planetas, estrellas, galaxias e incluso la vida como la conocemos. El polvo en nuestro rincón del universo fue generado por estrellas moribundas. Pero, cuando el universo tenía menos de una décima de su edad actual de 13.7 mil millones de años, las estrellas como nuestro Sol no tuvieron tiempo suficiente para morir y crear polvo.

Los teóricos postularon que estrellas masivas de corta edad, al explotar como supernovas, serían la fuente del misterioso polvo, mientras otros postularon que serían los cuásars los contribuyentes. Un cuásar consiste en un agujero negro supermasivo rodeado por polvo que lo alimenta. Teóricamente, el polvo se puede formar en la región exterior de los vientos que lentamente salen de esa nube con forma de rosquilla.

Markwick-Kemper y su equipo decidieron investigar el cuásar llamado PG2112+059, localizado en el centro de una galaxia a unos 8 mil millones de años luz. Aunque no está localizado en el universo temprano, es un objetivo accesible para dilucidar si los cuásars pueden hacer polvo. El equipo usó el espectógrafo infrarrojo del Spitzer para buscar signos de varios minerales.

Encontraron una mezcla de ingredientes como los que forman el vidrio, arena, mármol e incluso rubíes y zafiros. Mientras el mineral que constituye el vidrio se esperaba, los demás fueron una sorpresa. ¿Porqué? Esos minerales no son típicamente detectados flotando alrededor de galaxias, sugiriendo que podrían haber sido recientemente formados en los vientos salientes del cuásar.

Por ejemplo, el ingrediente que forma la arena, sílice cristalino, no sobrevive mucho tiempo libre en el espacio. La radiación estelar convierte al mineral en un estado amorfo.

Por supuesto, el caso no está cerrado. Se espera estudiar más cuásars para obtener mayor evidencia. Además, de acuerdo a los astrónomos, los cuásars pueden no ser la única fuente de polvo. “Las supernovas podrían haber sido más importantes en crear polvo en algunos ambientes y los cuásars en otros”.

Cuadro con los minerales encontrados en called PG2112+059.
NASA/JPL-Caltech/F. Markwick-Kemper (University of Manchester)