Los astrónomos han observado por primera vez el borde exterior del disco de materia que rodea un agujero negro supermasivo en alimentación.
Estas observaciones podrían ayudar a los científicos a medir mejor las estructuras que rodean a estos monstruos cósmicos, comprender cómo los agujeros negros se alimentan de esas estructuras y comprender cómo esta alimentación afecta la evolución de las galaxias que albergan tales fenómenos.
Los agujeros negros que se alimentan se encuentran en el corazón de regiones de increíble brillo llamadas núcleos galácticos activos (AGN). Directamente alrededor de estos agujeros negros, que pueden ser millones o incluso miles de millones de veces más masivos que el Sol, hay un disco giratorio de gas y polvo que gradualmente se introduce en el cuerpo supermasivo central.
La increíble influencia gravitacional de estos agujeros negros supermasivos hace que la materia de los discos de acreción alcance temperaturas de hasta 18 millones de grados Fahrenheit (10 millones de grados Celsius). Esto hace que la estructura emita radiación en todo el espectro electromagnético, desde rayos gamma y rayos X de alta energía hasta luz visible, luz infrarroja y ondas de radio. Estas emisiones de núcleos galácticos activos, también llamados cuásares, pueden ser tan brillantes que eclipsan la luz combinada de todas las estrellas de las galaxias circundantes.
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Sin embargo, incluso con este poderoso resultado, debido a que los discos de acreción son relativamente pequeños y muchos de ellos están ubicados en galaxias increíblemente distantes, es difícil obtener imágenes directas de ellos. Pero, alternativamente, los astrónomos pueden utilizar todo el espectro de luz del disco de acreción para comprender su física e incluso determinar su tamaño.
Ésta es la técnica adoptada por un equipo dirigido por investigadores del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales de Brasil. Denimara Dias dos Santos y Alberto Rodríguez Ardila estudiaron el disco de acreción de un quásar distante, III Zw 002, ubicado en el corazón de la galaxia Messier 106 (M 106). M 106 vive a unos 24 millones de años luz de la Tierra en la constelación de Canes Venatic.
Por primera vez, el equipo vio líneas de emisión en el infrarrojo cercano en el espectro de luz procedente del disco de acreción de este cuásar. Estas líneas ayudaron a los investigadores a determinar el tamaño de esta estructura en forma de placa de la que se alimenta el agujero negro supermasivo, cuya masa se ha determinado que es entre 400 y 500 veces la masa del Sol.
«Este descubrimiento nos brinda información valiosa sobre la estructura y el comportamiento de la región de la barra en esta galaxia en particular, destacando los fascinantes fenómenos que ocurren alrededor de los agujeros negros supermasivos en galaxias activas», dijo Rodríguez-Ardila. Dijo en un comunicado.
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Líneas de emisión como la que estudió el equipo ocurren cuando un átomo absorbe energía y adopta lo que los físicos llaman un «estado excitado». Con el tiempo, estos átomos deben regresar a su estado de energía más bajo, o «estado fundamental». Esta caída al estado fundamental libera luz que, dado que cada elemento tiene un conjunto único de niveles de energía, tiene una longitud de onda y una energía características del átomo de un elemento en particular.
Esto significa que estas emisiones en los espectros luminosos pueden ayudar a identificar elementos en la estrella, en la atmósfera del planeta y, en este caso, en el disco de acreción alrededor del agujero negro.
Las líneas de emisión de las estrellas y otras fuentes toman la forma de delgadas crestas en los espectros, pero las violentas condiciones alrededor del agujero negro supermasivo hacen que las líneas de emisión del disco de acreción adopten una apariencia diferente.
A medida que la materia cercana al agujero negro supermasivo acelera a velocidades cercanas a la de la luz, las líneas de emisión asociadas se ensanchan y adquieren picos menos profundos. La región de donde provienen estas emisiones se conoce como región de línea ancha del disco de acreción.
Cuando un lado del disco de acreción se acerca a la Tierra, el otro lado se aleja. Esto da como resultado longitudes de onda cortas de luz en el lado que gira hacia nosotros y longitudes de onda más largas de luz en el lado del disco de acreción que se aleja.
Esto es similar a lo que sucede aquí en la Tierra cuando una ambulancia se dirige hacia ti en una calle de la ciudad. Las ondas sonoras de las sirenas se combinan creando un sonido de longitud de onda corta y un sonido de alta frecuencia. A medida que la ambulancia se aleja, las ondas sonoras se expanden y la frecuencia de la sirena disminuye.
Este fenómeno se llama desplazamiento Doppler y, para la luz que emerge del disco de acreción, provoca la aparición de dos picos: uno en el lado que se aleja de la Tierra y el otro en el lado que se mueve rápidamente hacia la Tierra.
Cuando se ven estas amplias emisiones de doble pico provenientes de la región interna del disco de acreción, no dan a los astrónomos ninguna pista sobre el tamaño de los discos de acreción. Sin embargo, si estas líneas pudieran verse desde el borde exterior, así serían.
Este equipo de astrónomos ha hecho el descubrimiento inequívoco de dos perfiles de doble pico en el infrarrojo cercano en la región de línea ancha de III Zw 002, una línea que se origina a partir de hidrógeno de una región interior del disco de la región de línea ancha y una línea generadora de oxígeno en el límite exterior de esta región.
Las líneas de emisión se encontraron dentro de los datos recopilados por el espectrógrafo de infrarrojo cercano Gemini (GNIRS), que es capaz de observar todo el espectro del infrarrojo cercano simultáneamente. Esto permitió al equipo capturar un espectro único, limpio y continuamente calibrado del cuásar.
«Anteriormente no sabíamos que III Zw 002 tenía esta apariencia de doble pico, pero cuando redujimos los datos, vimos el doble pico muy claramente», dijo Rodríguez-Ardila. «De hecho, redujimos los datos varias veces pensando que podrían estar equivocados, pero cada vez vimos el mismo resultado dramático».
Esto ayudó a limitar el tamaño del disco de acreción, ya que el equipo pudo ver la línea de hidrógeno proveniente de una distancia de 16,77 días luz del agujero negro supermasivo central, mientras que la línea de oxígeno se origina desde un radio de 18,86 días luz.
Los astrónomos también pudieron determinar el tamaño de la región de línea ancha, estimando su radio exterior en 52,43 días luz. Además, el equipo pudo calcular que la región de línea ancha del disco de acreción está inclinada en un ángulo de 18 grados con respecto a la Tierra.
El equipo continuará monitoreando el cuásar III Zw 002, observando cómo cambia su imagen con el tiempo, además de utilizar luz infrarroja cercana para estudiar otros núcleos galácticos activos.
La investigación fue publicada en agosto en Cartas de diarios astrofísicos.
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