Revelan estructura desconocida en galaxia gracias a imagen de alto contraste

Tras obtener imágenes de alto rango dinámico, un equipo de astrónomos japoneses descubrió una débil señal de radio que cubre una galaxia gigante en cuyo centro vive un agujero negro altamente energético. La señal proviene del gas generado en el agujero negro. Los astrónomos buscan entender cómo un agujero negro interactúa con su galaxia anfitriona aplicando la misma técnica a otros cuásares.

Esta imagen de la cámara planetaria y de campo amplio 2 del Hubble (WFPC2) es probablemente la mejor del antiguo y brillante cuásar 3C 273, que reside en una galaxia elíptica gigante en la constelación de Virgo (La Virgen). Su luz ha tardado unos 2.500 millones de años en llegar hasta nosotros. A pesar de esta gran distancia, sigue siendo uno de los cuásares más cercanos a nuestro hogar. Fue el primer cuásar que se identificó y fue descubierto a principios de la década de 1960 por el astrónomo Allan Sandage. El término cuásar es una abreviatura de la frase "fuente de radio cuasi estelar", ya que parecen estrellas en el cielo. De hecho, los cuásares son los centros intensamente poderosos de galaxias distantes y activas, alimentados por un enorme disco de partículas que rodean un agujero negro supermasivo. A medida que el material de este disco cae hacia adentro, se ha observado que algunos cuásares, incluido el 3C 273, disparan chorros súper rápidos hacia el espacio circundante. En esta imagen, uno de estos chorros aparece como una raya nubosa, que mide unos 200 000 años luz de longitud. Los cuásares son capaces de emitir cientos o incluso miles de veces la producción total de energía de nuestra galaxia, lo que los convierte en algunos de los objetos más luminosos y energéticos de todo el Universo. De estos objetos muy brillantes, 3C 273 es el más brillante en nuestros cielos. Si estuviera ubicado a 30 años luz de nuestro propio planeta, aproximadamente siete veces la distancia entre la Tierra y Próxima Centauri, la estrella más cercana a nosotros después del Sol, aún parecería tan brillante como el Sol en el cielo. WFPC2 se instaló en el Hubble durante la misión del transbordador STS-61. Tiene el tamaño de un piano pequeño y era capaz de ver imágenes en las partes visible, ultravioleta cercana e infrarroja cercana del espectro. Crédito: ESA/Hubble y NASA

3C273 es un cuásar que se encuentra a 2.400 millones de años luz de la Tierra. Un cuásar es el núcleo de una galaxia donde se cree que hay un agujero negro masivo que se traga el material circundante, un fenómeno que genera una enorme cantidad de radiación. A pesar de su nombre poco llamativo, 3C273 fue el primer cuásar en ser descubierto, y es el más brillante y el mejor estudiado a la fecha. De hecho, es una de las fuentes más observadas, puesto que su posición en el cielo sirve de parámetro para los telescopios. En otras palabras, 3C273 es un faro astronómico para estudiar ondas de radio.

Al mirar los focos de un auto de frente, la intensa luz que nos encandila nos impide ver el entorno más oscuro. Lo mismo sucede con los telescopios cuando se observan objetos luminosos. El rango dinámico es el contraste entre las tonalidades más luminosas y las más oscuras de una imagen. Para revelar las partes más brillantes y oscuras de una imagen única obtenida por un telescopio, se necesita un amplio rango dinámico. Mientras ALMA normalmente alcanza un rango dinámico de 100, las cámaras digitales disponibles en el comercio logran rangos dinámicos de varios miles. En efecto, los radiotelescopios no son muy buenos para observar objetos con mucho contraste,

A pesar de ser el cuásar más famoso y haber sido estudiado durante décadas, las observaciones de 3C273 se han concentrado en su brillante núcleo, de donde proviene la mayor parte de las ondas de radio. Así, la comunidad astronómica sabe mucho menos sobre su galaxia anfitriona, puesto que al ser mucho más tenue y difusa se necesitaba un amplio rango dinámico para observarla. Lo que hizo el equipo de investigación esta vez fue usar una técnica conocida como autocalibración para reducir la contaminación lumínica de la galaxia por las ondas de radio de 3C273, en la que se usó 3C273 para corregir los efectos de las fluctuaciones de la atmósfera terrestre en el telescopio. De esa forma, el equipo alcanzó un rango dinámico de 85,000, un récord para ALMA a la hora de observar objetos extragalácticos.

Representación artística de una galaxia gigante con un chorro altamente energético. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Al alcanzar un amplio rango dinámico, los investigadores descubrieron una débil señal de radio que se extiende por decenas de miles de años luz a través de la galaxia anfitriona de 3C273. Las emisiones de radio alrededor de los cuásares suelen delatar la presencia de una emisión sincrotrón, proveniente de eventos altamente energéticos como brotes de formación estelar o chorros ultrarrápidos que emanan del núcleo. En efecto, en estas imágenes se aprecia la presencia de un chorro sincrotrón abajo a la derecha. Una importante característica de la emisión sincrotrón es que su luminosidad cambia con la frecuencia, pero la débil emisión de radio descubierta por el equipo tiene un brillo constante independientemente de la frecuencia de radio. Tras considerar mecanismos alternativos, el equipo descubrió que esta tenue y extensa emisión de radio proviene del gas de hidrógeno presente en la galaxia y energizado directamente por el núcleo de 3C273. Esta es la primera vez que se observan ondas de radio de este tipo de mecanismo extendiéndose por decenas de miles de año luz en la galaxia anfitriona de un cuásar. Los astrónomos llevaban décadas pasando por alto el fenómeno en este emblemático objeto cósmico. 

La importancia de este hallazgo radica en un interrogante de larga data: saber si la energía del núcleo de un cuásar puede ser lo suficientemente intensa como para impedir que la galaxia forme nuevas estrellas. Esta débil señal de radio podría ayudar a responder la pregunta. Es sabido que el gas de hidrógeno es un ingrediente esencial para la formación de estrellas, pero si el gas llega a desintegrarse (ionizarse) por efecto de una intensa luz, la fábrica de estrellas no puede funcionar. Para determinar si este fenómeno ocurre alrededor de los cuásares, los astrónomos usaron luz óptica emitida por gas ionizado. El problema de usar luz óptica es que el polvo cósmico absorbe luz en su trayectoria hasta el telescopio, y es difícil calcular cuánta luz el gas emitió originalmente. Además, el mecanismo de emisión de luz óptica es complejo y obliga a la comunidad científica a basarse en una serie de suposiciones. Sin embargo, las ondas de radio descubiertas en este estudio provienen de la misma fuente de gas, en un proceso simple, y no son absorbidas por el polvo. Al usar las ondas de radio, se vuelve mucho más fácil medir la cantidad de gas ionizado generado por el núcleo de 3C273. En este estudio, los astrónomos descubrieron que al menos un 7 % de la luz de 3C273 es absorbido por el gas de la galaxia anfitriona, en un proceso que genera cantidades de gas ionizado que van de 10.000 a 100.000 millones de veces la masa de nuestro Sol. No obstante, como 3C273 tenía mucho gas justo antes de que se formaran estrellas, no pareciera que la producción de estrellas se haya visto muy afectada por el núcleo.

Cuásar 3C273 observado por el telescopio espacial Hubble (HST) (izquierda). La intensa luminosidad genera contaminación lumínica radial, y la luz es dispersada por el telescopio. Abajo a la derecha se aprecia un chorro altamente energético producido por el gas presente alrededor del agujero negro central. | Imagen de radio de 3C273 obtenida por ALMA donde se aprecia la tenue y extensa emisión de radio (en azul claro) alrededor del núcleo (derecha). En esta imagen se sustrajo la brillante fuente central. En naranja se aprecia el mismo chorro de la imagen de la izquierda. Crédito: Komugi et al., NASA/ESA Hubble Space Telescope

“Este hallazgo traza una nueva ruta para estudiar fenómenos hasta ahora observados a través de la luz óptica”, celebra Shinya Komugi, profesor asociado de la Universidad Kogakuin y autor principal del estudio, publicado en The Astrophysical Journal. “Al aplicar la misma técnica a otros cuásares, esperamos entender cómo evolucionan las galaxias mediante la interacción con su núcleo”.

Información adicional

Los resultados de la investigación se publicaron en la revista The Astrophysical Journal, en el artículo de S. Komugi et al. titulado "Detection of extended millimeter emission in the host galaxy of 3C273 and its implications for QSO feedback via high dynamic range ALMA imaging" (‘Detección de emisión milimétrica extensa en la galaxia anfitriona de 3C273 y sus implicaciones para la retroalimentación en cuásar mediante imagen de amplio rango dinámico obtenida con ALMA’; DOI:10.3847/1538-4357/ac616e).

El equipo de investigación está conformado por Shinya Komugi (Universidad Kogakuin), Yoshiki Toba (Observatorio Astronómico Nacional de Japón, NAOJ]), Yoshiki Matsuoka (Universidad de Ehime), Toshiki Saito (NAOJ) y Takuji Yamashita (NAOJ).

La investigación se financió con los siguientes fondos JSPS KAKENHI: JP20K04015, JP21K13968, and JP19K14759.

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Las antenas de ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) de noche, bajo las Nubes de Magallanes. Las Antenas de ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) sobre la meseta de Chajnantor, en los Andes chilenos. En medio de la imagen pueden verse la Pequeña y la Gran Nube de Magallanes, dos galaxias vecinas de la Vía Láctea, como dos manchas luminosas en el cielo nocturno. Crédito: ESO/C. Malin.

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• Publicado en ALMA el 31 de mayo del 2022, enlace publicación.