Confirman que los agujeros negros regulan la formación de estrellas en galaxias masivas.

Un equipo internacional con participación de investigadores vinculados al Instituto de Astrofísica de Canarias y la Universidad de La Laguna, obtiene por primera vez claras evidencias observacionales de que la masa del agujero negro central presente en las galaxias masivas afecta a la formación de nuevas estrellas en ellas a lo largo de toda su vida. Esta había sido una hipótesis ampliamente aceptada, clave en la simulación teórica de galaxias masivas, pero que carecía de confirmación observacional. Los resultados de esta investigación fueron publicados ayer en la revista Nature.

Composición de imágenes en el óptico (ESO/WFI), submilimétrico (MPIfR/ESO/APEX) y rayos X (NASA/CXC/CfA) de Centauro A. Centauro A es una galaxia masiva (similar a las analizadas en este estudio) que se encuentra en proceso de fusión con una galaxia espiral vecina. En su centro alberga un agujero negro supermasivo en proceso de acreción de material, lo que lo convierte en activo (AGN), responsable de la emisión en rayos X y radio así como de los dos chorros de material que emanan de su centro.
 Crédito: ESO/WFI (Óptico); MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (Submilimétrico); NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (rayos X).

Los centros de las galaxias masivas se encuentran entre las regiones más exóticas del Universo. Albergan agujeros negros supermasivos con masas en torno a millones e incluso miles de millones de masas solares. Estos agujeros negros son capaces de inducir la caída de abundante material hacia ellos, produciendo así la emisión de enormes cantidades de energía hasta su final inmersión en el agujero negro. Además, durante este período (fase activa de la galaxia o AGN, siglas en inglés de Active Galactic Nucleus), se expulsa material hacia el exterior en forma de chorros a altas velocidades (relativistas) capaces de producir violentos choques con el material que lo rodea.

Desde hacía tiempo se pensaba que toda esta emisión (luz y partículas) hacia las partes más externas, así como el crecimiento del agujero negro central, debía de influir en la manera en la que estas galaxias forman estrellas dificultando dicha formación. "Esta influencia, señala el primer autor del artículo, Ignacio Martín Navarro, quien fue estudiante de doctorado del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y la Universidad de La Laguna (ULL) y, actualmente, investigador de la Universidad de California en Santa Cruz (Estados Unidos) y del Max Planck Institute for Astronomy (Alemania) , nos permitiría explicar relaciones como la existente entre la masa del agujero negro central y la masa total estelar. De hecho, sin esta 'retroalimentación', las simulaciones de formación y evolución de galaxias masivas fallan drásticamente tanto en reproducir las propiedades de éstas como en el número de galaxias predichas de una masa determinada". Sin embargo, hasta la fecha no había ninguna evidencia observacional en favor de esta idea cada vez más asentada y establecida.

Logotipo IAC.

"En este trabajo, añade este astrofísico, analizamos los espectros centrales de 74 galaxias con los datos del Hobby-Eberle Telescope Massive Galaxy Survey con el fin de obtener cómo el ritmo de formación estelar en estos sistemas ha cambiado a lo largo de su vida (historia de formación estelar). Para ello utilizamos códigos que nos permiten comparar espectros observados con aquellos predichos por modelos de evolución estelar. De esta manera, podemos saber cuántas estrellas de diversas edades habitan cada una de las galaxias observadas."

"Como resultado de este análisis, explica Tomás Ruiz Lara, investigador del IAC y otro de los autores del artículo de Nature, encontramos distintas historias de formación estelar para galaxias que albergan agujeros negros de diversas masas. Este hallazgo sugiere de manera clara que, efectivamente, agujeros negros supermasivos centrales son capaces de afectar a la formación estelar a lo largo de toda la galaxia y, es más, que dicho efecto neto depende de la masa de los mismos."

De acuerdo con este análisis, las galaxias con agujeros negros más masivos en sus centros presentan un mayor ritmo de formación estelar inicial, llevando a la formación de un agujero negro más masivo que pronto es capaz de frenar la formación estelar en estos sistemas. Por el contrario, este proceso se produce mucho más lentamente en aquellas galaxias que actualmente albergan agujeros negros menos masivos, empezando además con una menor eficiencia de formación estelar. "Concretamente, subraya Ruiz Lara, encontramos que galaxias con agujeros negros centrales más masivos forman la mayoría de su masa (95%) hasta 4.000 millones de años antes que en el caso de las galaxias con agujeros negros menos masivos. De la misma manera, la formación estelar más reciente (durante los últimos 700 millones de años) es mayor en el caso de galaxias con agujeros negros menos masivos."

El hecho de que la masa de estos agujeros negros esté relacionada con la cantidad de materia y energía emitida en su fase AGN (aspecto bien conocido), unido a los resultados ahora obtenidos, confirma un sencillo escenario previamente establecido y que gracias a este estudio se ve claramente reforzado. Para la formación eficiente de estrellas se necesita gas y polvo frío. Sin embargo, la energía y partículas emitidas desde la zona central de una galaxia en su fase de AGN es capaz de calentar el medio que encuentra a su paso, disminuyendo así la posibilidad de formación estelar. A mayor emisión (que es sinónimo de mayor masa de agujero negro central), menor será la eficiencia de la galaxia anfitriona para formar estrellas. Esto explica fácilmente que galaxias con agujeros negros más masivos vean antes suprimida su formación estelar inicial así como que la formación estelar reciente no sea favorecida.

Estos resultados publicados en Nature, de una importancia clave en la astrofísica moderna e intensamente buscados durante los últimos 20 años, ofrecen en definitiva evidencias observacionales a hipótesis ampliamente aceptadas fundamentales para entender cómo se forman y evolucionan las galaxias más masivas.

Artículo: Ignacio Martín-Navarro et al. "Black-hole regulated star formation in massive galaxies", artículo en línea en Nature. doi:10.1038/nature24999

Contactos:

Ignacio Martín-Navarro: imartinn@ucsc.edu

Tomás Ruiz Lara: tomas.ruiz@iac.es

• Publicado en IAC el 2 de enero del 2018.