Hallados indicios de conexión entre agujeros negros y sus galaxias

3C 348 es una galaxia elíptica gigante. Si la observamos en luz visible, apenas destaca. Sin embargo, en longitudes de onda de radio emite unas mil millones de veces más energía que el Sol. Entonces aparece el espectáculo de la imagen superior.

Como la Vía Láctea y otros miles de millones de galaxias en el cosmos, 3C 348 alberga un agujero negro central. Este equivale a 2 500 millones de masas solares. De allí brotan potentes y enormes chorros de plasma que se extienden a lo largo de un millón y medio de años luz. Son los que parecen globos rosas en la imagen de arriba.

Estos chorros, revelados mediante datos de radio del observatorio Karl G. Jansky Very Large Array (VLA), están formados por partículas cargadas aceleradas a velocidades cercanas a la luz, que parten de las cercanías del agujero negro. Invisibles en el rango óptico, solo se manifiestan en determinadas longitudes de onda como el radio.

El generador de los rayos rosas de la imagen es el agujero negro Hércules A. Es el objeto emisor de radio más brillante de la constelación del mismo nombre.

Hércules A llega a emitir casi mil millones de veces más potencia que nuestro Sol. Los chorros pueden llegar a extenderse tanto que empequeñecen a la galaxia visible de la que emergen, formando radiogalaxias gigantes, los objetos conocidos más grandes del universo.

Se han encontrado muchos más casos de este tipo en todo el cielo.

La conexión

En una nueva investigación publicada en Nature Astronomy, hemos encontrado conexión entre la región colindante a los agujeros negros supermasivos como Hércules A, dominada por la parte más interna de los chorros de partículas que emiten, y su galaxia anfitriona. Vemos indicios de una conexión física entre ambos sistemas, a pesar de su contraste homérico en tamaño y masa.

Se activa el núcleo de la galaxia

Los agujeros negros supermasivos son relativamente poco comunes, pero creemos que todas las galaxias albergan al menos uno (o quizá a veces dos) en su núcleo. Nuestra propia galaxia, por ejemplo, contiene el agujero negro supermasivo Sagitario A* en su centro.

En ocasiones, el agujero negro supermasivo comienza a atraer gas y polvo cósmico a su alrededor gracias a su potente campo gravitatorio, y el núcleo de su galaxia se vuelve activo. Estos materiales forman un disco caliente de material rodeando al agujero negro, el llamado disco de acrecimiento. Todo es rodeado a su vez por un toroide de polvo interestelar a un poco más de distancia.

Algunos de estos núcleos activos galácticos emiten potentes chorros de partículas que provienen del disco de acrecimiento, aceleradas a velocidades cercanas a la de la luz. Hemos podido estudiar la orientación y la morfología de estos chorros gracias a la alta resolución VLBI, un sistema de observación altamente ingenioso.

La interferometría de muy larga línea de base (VLBI en inglés) utiliza a la vez un gran número de antenas de radio, convirtiéndolas en un gigantesco radiotelescopio del tamaño de la Tierra. Es la misma técnica que se utilizó para fotografiar el halo en torno al agujero negro supermasivo M87 o Sagitario A*.

Los chorros de partículas de los agujeros negros

El origen de los gigantescos chorros está en la zona colindante al agujero negro, una región de tamaño pequeño (de algunos años luz). Sin embargo, se extienden inmensamente, hasta alcanzar el tamaño de millones de años luz.

La observación de esta zona aledaña a los agujeros negros sólo es posible con VLBI; ni siquiera podemos verla con los mejores telescopios ópticos. El análisis de estas apasionantes regiones nos ha permitido conocer qué orientación tienen los chorros de partículas que emiten los agujeros negros. Una vez que detectamos esa orientación, también podemos saber cuál es la del disco de acrecimiento del que proceden. Así conocemos las propiedades del agujero negro.

Tras conocerlos, los comparamos con sus galaxias anfitrionas. La diferencia de magnitud entre una cosa y otra es tan enorme que no esperábamos encontrar relación. Es como comparar un grano de arena con Saturno y esperar que haya alguna conexión. Pero la hay. Hemos encontrado un indicio inquietante y asombroso que los vincula.

Las galaxias anfitrionas de agujeros negros

Una galaxia es un objeto cósmico tridimensional, formado por millones de estrellas. Cuando las observamos con telescopios ópticos o infrarrojos, la imagen aparente, fruto de la proyección, es una espiral o una elipse. En cualquiera de estas observaciones podemos trazar su perfil luminoso y extraer los semiejes mayor y menor de la forma bidimensional.

En nuestra investigación hemos observado qué dirección toma el semieje menor de la forma bidimensional de la galaxia, y lo hemos comparado con la orientación de los chorros emitidos por agujeros negros en núcleos activos. ¡Aquí está! La galaxia apunta en la misma dirección que los chorros de partículas que emite el agujero negro supermasivo de su núcleo. ¿Es casualidad? Casi nunca lo es.

Que no se nos olvide la disparidad de tamaños entre un agujero negro (del orden de años luz) y la galaxia anfitriona (de un tamaño de millones de años luz) para entender lo sorprendente del hallazgo.

¿Y por qué coincide la orientación de ambos?

A priori, esperaríamos ver una correlación entre los chorros y la zona adyacente al agujero negro, pero no con la galaxia entera.

Las galaxias elípticas

¿Puede indicarnos este resultado algo más sobre el proceso de formación de galaxias?

En nuestra investigación también hemos encontrado que la mayor parte de núcleos activos galácticos con chorros, observados usando VLBI, corresponden a galaxias elípticas. Este tipo de galaxias son muy masivas y muy luminosas y muestran pocos nacimientos de estrellas nuevas. El hallazgo es un indicio a favor de la hipótesis de que las galaxias espirales, formadas por estrellas jóvenes, pueden fusionarse y formar galaxias elípticas, y, en el proceso de fusión, se activa el núcleo galáctico.

La interpretación física definitiva de nuestros resultados es ahora mismo un misterio, pero no es el único. Recientemente, el telescopio espacial James Webb ha descubierto cuásares ultramasivos (por tanto con agujeros negros supermasivos) que se han formado mucho antes del tiempo esperado y no es posible explicar cómo ha ocurrido.

Esto, junto con nuestros resultados, indica que nuestro conocimiento de cómo se forman y evolucionan las galaxias y el papel que en ello juegan los agujeros negros tendría que ser actualizado.

Jacobo Asorey Barreiro, Profesor Permanente Laboral de Física Teórica, Universidad de Zaragoza y David Fernández Gil, Doctorando, Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón (CEFCA)

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.