Donuts grumosos alrededor de agujeros negros supermasivos

NuSTAR proporciona nueva información sobre las estructuras que rodean los agujeros negros supermasivos. Todas las galaxias grandes tienen un agujero negro supermasivo en su centro, con una masa de millones a miles de millones de veces la del Sol. Con un radio efectivo medido en horas luz, el agujero negro es pequeño en comparación con la galaxia, cuyo tamaño se mide en decenas de milenios luz. Sin embargo, cuando el agujero negro se acumula rápidamente, se forma un disco caliente de material en órbita que puede eclipsar a los cientos de miles de millones de estrellas de la galaxia anfitriona. Esta región central, caliente y energética, produce fuertes rayos X y luz ultravioleta y está incrustada en una estructura más grande y más fría, que se cree que tiene forma toroidal o de rosquilla. Sin embargo, la estructura de esta región polvorienta, incluidos su tamaño y forma, aún se desconoce en gran medida. En las últimas décadas, la evidencia ha apuntado a que el gas y el polvo son grumosos en lugar de difundidos suavemente. Esto se entiende comúnmente como una colección de nubes que orbitan alrededor del agujero negro supermasivo central en lugar de una neblina persistente de smog que oculta el agujero negro de la vista.

Al monitorear la emisión de rayos X de alta energía de los agujeros negros supermasivos en acreción, NuSTAR sondea la estructura de la estructura polvorienta en forma de rosquilla circundante y encuentra evidencia de que el "toro" es grumoso. La concepción de este artista de una región grumosa alrededor de un agujero negro supermasivo incluye el disco interno de material en órbita y chorros expulsados. Crédito superpuesto: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF. Crédito de la imagen de fondo: NASA, ESA, CSA y M. Zamani (ESA).

Históricamente, la región polvorienta se modeló como un toro uniforme o una esfera con regiones cónicas talladas por encima y por debajo del agujero negro. Sin embargo, los modelos recientes consideran estructuras más complicadas, incluidas nubes, flujos de salida y discos deformados. Para complicar aún más las cosas, los modelos generalmente no incluyen ninguna escala física, lo que significa que el oscurecimiento podría estar teniendo lugar en cualquier lugar entre el agujero negro central y el borde mismo de la galaxia anfitriona.

Las observaciones de rayos X de alta energía de NuSTAR, por encima de 10 keV, proporcionan una poderosa herramienta para distinguir los cambios en el brillo intrínseco de los cambios en el oscurecimiento. Usando una analogía relacionada con la vida cotidiana, una lámpara más tenue podría deberse a una pantalla más gruesa o a una bombilla más débil. NuSTAR detecta rayos X penetrantes de alta energía, que son en gran medida insensibles a cualquier pantalla de lámpara: la atenuación observada en el rango NuSTAR debe ser intrínseca a la fuente (es decir, una bombilla con atenuación) en lugar de una absorción variable (es decir, una pantalla de lámpara más gruesa). . Usando NuSTAR podemos obtener la mejor imagen física de lo que sucede cuando vemos que una fuente se vuelve más brillante o más tenue.  NuSTAR también detecta la emisión de rayos X reflejada, que depende de las propiedades y la geometría de todo el toroide (es decir, la extensión y el espesor u opacidad de la capa de nubes). Esto proporciona información valiosa sobre la estructura global, particularmente en comparación con las propiedades de la línea de visión determinadas a partir de la absorción variable.

En un artículo publicado recientemente en Astronomy & Astrophysics,  la Dra. Nuria Torres-Alba de la Universidad de Clemson y su equipo miden la escala de los oscurecedores alrededor de los agujeros negros supermasivos basándose en el monitoreo NuSTAR de una muestra de fuentes cercanas. Los cambios de oscurecimiento en escalas de tiempo inferiores a unos pocos días requerirían estructuras pequeñas, probablemente nubes cercanas al agujero negro, mientras que los cambios de oscurecimiento en escalas de tiempo de años probablemente se originarían en estructuras más grandes y distantes.

La Dra. Torres-Alba y su equipo analizaron 53 observaciones individuales de NuSTAR de una muestra de 12 galaxias cercanas que se sabe albergan un agujero negro supermasivo central en acreción muy oscurecido. Aproximadamente la mitad de las galaxias (5/12) muestran evidencia clara de variabilidad del oscurecimiento en escalas de tiempo de años, lo que plantea la pregunta: si el toro es grumoso, ¿por qué vemos variabilidad en menos de la mitad de las fuentes? Una pista podría provenir de la observación de que las fuentes que muestran oscurecimiento variable tienden a tener columnas más gruesas de material oscurecedor y distribuciones de nubes más amplias que sus contrapartes.

Actualmente, los modelos del toro grumoso utilizados por los astrónomos no están calibrados para considerar ninguno de estos hechos observacionales. Los estudios anteriores tendían a ser anecdóticos, investigando un solo objeto o incluso un solo evento, o estudios centrados en muestras de fuentes menos oscurecidas para las cuales se esperaría menos variabilidad debido al toro de polvo. Este artículo reciente es el primer estudio integral de NuSTAR de una muestra de sistemas muy oscurecidos. Proporciona un nuevo punto de referencia con el que se pueden probar los modelos de toros grumosos, limitando parámetros clave del modelo, como el número y la densidad de las nubes, sus tamaños y sus órbitas.

Publicado en NuStar el 21 de marzo del 2024, enlace publicación.