ALMA observa toroide de polvo y gas que gira alrededor de agujero negro supermasivo

Cuanto más masiva la galaxia más masivo su agujero negro central.

Representación artística del toroide de polvo y gas que rodea el agujero negro supermasivo. ALMA reveló la rotación del toroide con mucha precisión por primera vez. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO).

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) realizó observaciones en alta resolución que permitieron obtener imágenes de un toroide de gas y polvo que gira alrededor de un agujero negro supermasivo. La existencia de estas estructuras toroidales giratorias se había predicho décadas atrás, pero esta es la primera vez que se confirma con tanta seguridad. Se trata de un importante avance para entender la coevolución de los agujeros negros supermasivos y las galaxias que los albergan.

Casi todas las galaxias esconden enormes agujeros negros en su centro. Hacía tiempo que los investigadores sabían que mientras más masiva fuera una galaxia, más masivo sería su agujero negro. Suena lógico a primera vista, pero, considerando que las galaxias que los albergan son hasta 10.000 millones de veces más grandes que sus agujeros negros, es muy difícil que dos objetos de tamaños tan diferentes afecten directamente el uno al otro. De ahí la siguiente pregunta: ¿cómo puede desarrollarse semejante relación?

Con el fin de aclarar el misterio, un equipo de astrónomos aprovechó la alta resolución de ALMA para observar el centro de la galaxia espiral Messier 77. Se trata de un núcleo galáctico activo, o AGN en su sigla en inglés, donde el agujero negro supermasivo recibe un rápido flujo de materia que emite una intensa luz. Como son capaces de afectar su entorno, estos núcleos galácticos activos son una pieza clave para dilucidar el misterio de la coevolución de las galaxias y los agujeros negros.

Los astrónomos produjeron una imagen del área que rodea el agujero negro supermasivo de Messier 77 y revelaron una compacta estructura de gas con un radio de 20 años luz. De esa forma, descubrieron que la estructura de gas gira alrededor del agujero negro, tal como habían previsto.

Movimiento del gas alrededor del agujero negro supermasivo que habita el centro de M77. El gas que se desplaza hacia nosotros se muestra en azul y el que se aleja está representado en rojo. El eje de rotación del gas es el agujero negro. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Imanishi et al.

“Para interpretar varios aspectos de la observación de los núcleos galácticos activos, los astrónomos supusieron la existencia de toroides giratorios de gas alrededor de los agujeros negros supermasivos activos. Esto se conoce como ‘modelo unificado’ del AGN”, explica Masatoshi Imanishi, del Observatorio Astronómico Nacional de Japón, quien firma como autor principal de un artículo publicado en The Astrophysical Journal Letters. “Sin embargo, el toroide de gas es diminuto. Gracias a la resolución de ALMA, ahora podemos ver directamente la estructura”.

Muchos astrónomos habían observado el centro de Messier 77 antes, pero nunca se había visto con tanta claridad el movimiento giratorio del toroide de gas alrededor del agujero negro. Además de tener una capacidad de resolución superior, ALMA permite aislar las líneas de emisión molecular, lo cual fue fundamental para revelar la estructura. El equipo observó emisiones de microondas características de las moléculas de ácido cianhídrico (HCN) y del ión formilo (HCO+). Estas moléculas emiten microondas solo en presencia de gas denso, mientras que el monóxido de carbono (CO) se observa con mayor frecuencia y emite microondas en distintas condiciones [1]. Se creía que el toroide alrededor del núcleo galáctico activo era muy denso, y la estrategia de los astrónomos permitió dar en el clavo.

Área central de la galaxia espiral M77 donde el telescopio espacial Hubble de NASA/ESA obtuvo imágenes de la distribución del gas. ALMA reveló la distribución del gas en el centro de la galaxia, y detectó la presencia de una estructura en forma de herradura con un radio de 700 años luz y otra estructura central compacta con un radio de 20 años luz. La segunda estructura es el toroide de gas que rodea el núcleo galáctico activo. El rojo corresponde a la emisión del ión formilo (HCO+) y el verde muestra la emisión de ácido cianhídrico. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Imanishi et al., telescopio espacial Hubble NASA/ESA y A. van der Hoeven.

“Las observaciones anteriores habían revelado la elongación este-oeste del toroide de polvo y gas. La dinámica revelada por los datos de ALMA coincide a la perfección con el sentido de rotación que se esperaba observar en el toroide”, celebra Imanishi.

Lo interesante es que la distribución del gas alrededor del agujero negro supermasivo es mucho más compleja de lo que indicaría un simple modelo unificado. El toroide parece ser asimétrico, y su movimiento giratorio no sigue únicamente la gravedad del agujero negro, sino que además presenta movimientos muy aleatorios. Esto podría ser un indicio de que el núcleo galáctico activo tuvo una historia violenta, que podría incluir una fusión con una galaxia más pequeña [2]. No obstante, la identificación del toroide giratorio es un paso importante.

Nuestra galaxia, la Vía Láctea, también tiene un agujero negro supermasivo en el centro, aunque se encuentra en un estado muy tranquilo y solo recibe una diminuta cantidad de gas. Por eso, a la hora de estudiar los núcleos galácticos activos en detalle, los astrónomos tienen que observar los centros de galaxias distantes. Messier 77 es una de las más cercanas e idóneas para las observaciones de este tipo.

Información adicional.

Los resultados de este estudio se publicaron en el artículo de Imanishi et al. titulado “ALMA Reveals an Inhomogeneous Compact Rotating Dense Molecular Torus at the NGC 1068 Nucleus” (‘ALMA revela denso toroide molecular giratorio compacto y heterogéneo en núcleo de NGC 1068’), en la revista Astrophysical Journal Letters (1 de febrero de 2018, 853, L25), enlace al artículo.

El equipo de investigación estuvo integrado por:

Masatoshi Imanishi (Observatorio Astronómico Nacional de Japón/SOKENDAI), 

Kouichiro Nakanishi (Observatorio Astronómico Nacional de Japón/SOKENDAI), 

Takuma Izumi (Observatorio Astronómico Nacional de Japón) y 

Keiichi Wada (Universidad de Kagoshima).

Algunas de las 66 antenas de ALMA:
Crédito: ESO.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

Notas.

[1] García-Burillo et al. (2016) observaron la distribución y el desplazamiento de CO con ALMA y no detectaron una rotación clara en el sentido este-oeste del toroide. Según los autores, hay tanta turbulencia que no se puede determinar a ciencia cierta el sentido de rotación este-oeste. Gallimore et al. (2016) observaron las emisiones de CO y detectaron desplazamientos de gas en sentido norte-sur, fenómeno que explicaron por la presencia de gas eyectado por el agujero negro.

[2] Recientemente, un equipo de astrónomos observó M77 con el telescopio Subaru y descubrió indicios de una fusión con una pequeña galaxia hace miles de millones de años. Para obtener más detalles, véase el comunicado de prensa titulado “Minor Merger Kicks Supermassive Black Hole into High Gear” (‘Pequeña fusión potencia agujero negro supermasivo’), publicado por el telescopio Subaru en octubre de 2017.

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• Publicado en ALMA el 14 de febrero del 2.018.