Misterio resuelto: alimentación y retroalimentación de un agujero negro en el centro de una galaxia activa

Este avance representa la primera medición cuantitativa del mundo a esta escala de los flujos de gas y la estructura de un agujero negro supermasivo cercano en todas las fases gaseosas, incluidas la plasma, la atómica y la molecular. Esta alta resolución permitió al equipo capturar el flujo de acreción que se dirige hacia el agujero negro supermasivo, revelando 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 contribuye al 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, de forma muy similar a cómo se recicla el agua en una fuente de agua. . Estos resultados representan un progreso crucial hacia una mayor comprensión de los mecanismos de crecimiento de los agujeros negros supermasivos.

Estos resultados de seguimiento fueron publicados en Ciencias El 2 de noviembre de 2023.

En los centros de muchas galaxias se encuentran “agujeros negros supermasivos”, con una masa que supera un millón de veces la masa del Sol. Pero los astrónomos llevan mucho tiempo pensando en los mecanismos responsables de su formación. Un mecanismo propuesto, como se describe en investigaciones anteriores, sugiere que el gas se acumula en el agujero negro a medida que gravita hacia el centro de la galaxia anfitriona.

Cuando el gas se acerca a los agujeros negros supermasivos, la intensa gravedad del agujero negro hace que el gas se acelere. El aumento resultante de la fricción entre las moléculas de gas calienta el gas a temperaturas de varios millones de grados y emite una luz brillante. Esto se conoce como núcleo galáctico activo (AGN) y el brillo a veces puede exceder 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.

Estudios teóricos y observacionales anteriores han proporcionado información detallada sobre los mecanismos de acumulación de gas desde la escala de 100.000 años luz hasta la escala de unos pocos cientos de años luz en el centro. Sin embargo, la acumulación de gas se produce a unas pocas decenas de años luz del centro galáctico. Esta escala espacial limitada ha dificultado una mayor comprensión del proceso de acumulación. 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 no ha avanzado significativamente hasta la fecha.

«Las observaciones de gas multifásico pueden proporcionar una comprensión más completa y precisa de la distribución y la dinámica de la materia alrededor de un agujero negro, y nuestra observación representa la resolución más alta jamás alcanzada para observaciones de gas multifásico en un núcleo galáctico activo», señala Izumi.

Izumi y sus colegas capturaron 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 galáctico. Identificar este flujo de acreción ha sido durante mucho tiempo un desafío debido al pequeño tamaño de la región y los complejos movimientos del gas cerca del centro galáctico. Sin embargo, el equipo de investigación identificó el lugar donde el gas molecular en primer plano absorbía la luz del núcleo galáctico activo que brilla intensamente en el fondo. Un análisis detallado reveló que este material absorbente se está alejando de la Tierra. Dado que la materia absorbida está constantemente presente entre el núcleo galáctico activo y la Tierra, esto indica que el equipo ha logrado capturar el flujo de acreción que se dirige hacia el núcleo galáctico activo.

El estudio también aclaró el mecanismo físico responsable de estimular la acumulación de gas. El disco de gas observado presentaba una fuerza gravitacional tan fuerte que no podía mantenerse mediante la presión calculada a partir del movimiento del disco de gas. Cuando se produce esta situación, el disco de gas colapsa por su propio peso, formando estructuras complejas y perdiendo su capacidad de mantener un movimiento estable en el centro de la galaxia. En consecuencia, el gas cae rápidamente hacia el agujero negro central, fenómeno conocido como “inestabilidad gravitacional” en el núcleo de la galaxia.

Además, el estudio mejoró la comprensión cuantitativa de los flujos de gas alrededor del núcleo galáctico activo. Al observar la densidad del gas observado y la velocidad del flujo de acreción, los investigadores pudieron calcular la tasa de suministro de gas del agujero negro. Sorprendentemente, esta tasa es 30 veces mayor de lo que se requiere para mantener un 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? Observaciones altamente sensibles de todos los gases en fases utilizando ALMA han revelado salidas del núcleo galáctico activo. El análisis cuantitativo reveló que la mayor parte del gas que fluía hacia el agujero negro fue expulsado en forma de chorros atómicos o moleculares. Sin embargo, debido a su baja velocidad, no pudieron escapar de la gravedad del agujero negro y finalmente volvieron a caer en el disco de gas. Allí, fue reciclado en una corriente cada vez mayor hacia el agujero negro, completando el notable proceso de reciclaje de gas en el centro galáctico.

Reflexionando sobre los logros, Takuma Izumi reitera: “El descubrimiento de flujos y salidas de acreción en una región a sólo unos pocos años luz de distancia alrededor del agujero negro supermasivo activo, especialmente en gas multifásico, e incluso descifrar el propio mecanismo de acreción , son logros tremendos en el campo de intentar revelar más sobre los agujeros negros supermasivos. Y continúa: «Para obtener una comprensión completa del crecimiento de los agujeros negros supermasivos en la historia cósmica, es necesario estudiar diferentes tipos de agujeros negros supermasivos ubicados lejos de nosotros. Esto requiere alta resolución». «Tenemos observaciones de alta sensibilidad y tenemos grandes expectativas sobre el uso continuo de ALMA, así como de los próximos grandes interferómetros de radio que llegarán en la próxima generación».