Imagen artística del agujero negro supermasivo emitiendo un potente chorro.(Crédito de la imagen: S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF))
Una nueva investigación ha afirmado la conexión entre los agujeros negros supermasivos y la muerte galáctica a través del cese del nacimiento de estrellas – aunque de una manera inesperada.
Los científicos saben desde hace tiempo que existen dos tipos principales de galaxias en el universo. Las hay con estrellas que se forman rápidamente y las hay «tranquilas», porque nacen muy pocas estrellas. Nuestra galaxia, la Vía Láctea, es un ejemplo de galaxia tranquila. Los científicos no saben muy bien cómo pasa una galaxia de la incubación de estrellas a la inactividad. Hasta ahora.
Se cree que los agujeros negros supermasivos, con masas millones, o a veces miles de millones, de veces la del Sol, acechan en el corazón de todas las grandes galaxias. También se ha sospechado que estos vacíos están detrás del proceso que lleva a los agujeros negros a la pasividad, pero las pruebas fehacientes de la idea no han aparecido. Sin embargo, un equipo de científicos dirigido por Tao Wang, de la Universidad de Nanjing, puede haber descubierto esa prueba por primera vez. Han hallado un vínculo entre la masa de un agujero negro supermasivo y la cantidad de gas frío, el material de construcción de nuevas estrellas, que se purga de las galaxias.
Cuanto mayor sea el agujero negro supermasivo, más gas se purga de la galaxia, lo que provoca la «muerte» de dicha galaxia al sofocar el nacimiento de estrellas.
«Desde la década de 1970, tanto las teorías como las simulaciones sugieren que los agujeros negros supermasivos deberían tener un fuerte impacto sobre el gas frío y la formación estelar de sus galaxias anfitrionas; sin embargo, desde el punto de vista observacional, sigue siendo impreciso», declaró Wang a universeexpedition.com.
Diversos estudios han demostrado, explicó Wang, que incluso los agujeros negros más activos, o «cuásares», no parecen estar relacionados con una reducción de las tasas de formación estelar o del contenido de gas molecular.
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Wang añadió que estas observaciones también contradicen muchos modelos tradicionales de flujo de energía hacia una galaxia circundante, o «retroalimentación», procedente de regiones llamadas núcleos galácticos activos (AGN) que albergan agujeros negros supermasivos alimentadores. Estos modelos sugieren que la retroalimentación de los AGN ejerce un fuerte impacto en las galaxias que los rodean.
Wang cree que esta contradicción ha hecho que muchos astrónomos empiecen a dudar del papel que tienen los agujeros negros supermasivos en la formación de galaxias masivas mediante el nacimiento de estrellas. «Por otro lado, las galaxias con agujeros negros más masivos tienden a tener menores tasas de formación estelar. Esto nos resulta un tanto desconcertante», prosigue Wang.
Pero el principal hallazgo del equipo fue que las masas de los agujeros negros son, en efecto, las cantidades fundamentales que impulsan el contenido de gas frío en las galaxias.
¿Cómo matan los agujeros negros supermasivos a las galaxias?
El miembro del equipo David Elbaz, de la Université Paris Cité, explicó a universeexpedition.com que las galaxias pasivas con poca formación estelar no tienen gas frío o tienen muy poco. A diferencia de las galaxias con formación estelar, que tienen mucho gas.
«Por lo tanto, se suele suponer que la diferencia entre ambas poblaciones proviene de la presencia o ausencia de depósitos de gas», afirma Elbaz. «La cuestión clave es entonces determinar cuál es la causa de la transición de las galaxias de formadoras de estrellas a pasivas» El investigador añadió que las galaxias pasivas podrían ser potencialmente más masivas, que es algo que las observaciones han dado a entender, o se les ha impedido de algún modo reunir depósitos de gas frío. En el primer caso, tal vez el gas esté demasiado disperso en la galaxia, mientras que en el segundo, quizá algo se llevó todo el gas frío de formación estelar. Y ese «algo» podría ser un agujero negro supermasivo central.
Aún así, persiste un enigma. Los agujeros negros ocupan un lugar relativamente minúsculo en el centro de las galaxias que los albergan, mientras que el gas frío que da origen a las estrellas se extiende por toda la galaxia.
«Se sabe que los agujeros negros concentran una enorme cantidad de energía gravitatoria, suficiente para afectar al gas que los rodea, pero lo desconcertante no es una cuestión de energía, sino de cómo funciona», explica Elbaz. «Imagina que disparas a una nube con una pistola; la energía de la bala puede ser tan grande como desees, y a la nube no le importará. Sin embargo, vemos menos nubes de gas donde hay agujeros negros».
La masa del agujero negro supermasivo de una galaxia equivale aproximadamente a una milésima parte de la masa de las estrellas del bulbo galáctico. Se trata de regiones en las que la formación estelar ha cesado hace mucho tiempo.
«Se postuló entonces que los agujeros negros podían influir en las galaxias impidiéndoles formar nuevas estrellas», explica Elbaz. «Pero, ¿cómo? Hasta ahora no había pruebas directas de la influencia de los agujeros negros supermasivos en la evolución de las galaxias.»
(Izquierda) el agujero negro en el corazón de M87 se ve en luz polarizada. (Derecha) el propio agujero negro supermasivo Sgr A* de la Vía Láctea en luz polarizada (Crédito de la imagen: EHT Collaboration).Para resolver este misterio, Wang, Elbaz y sus colegas analizaron 69 galaxias. Observaron la masa de las estrellas de estas galaxias, las masas de sus agujeros negros supermasivos centrales y las masas de sus depósitos de gas hidrógeno atómico frío, el principal elemento implicado en la formación de estrellas.
«La reserva de gas hidrógeno atómico es menor en las galaxias masivas, lo cual no es muy sorprendente, ya que las galaxias pasivas se encuentran principalmente entre las galaxias más masivas», afirma Elbaz. «Pero lo novedoso aquí es que también estudiamos cómo varían las reservas de gas con la masa del agujero negro galáctico. Demostramos que el depósito de gas disminuye con una correlación mucho mejor cuando se compara con la masa del agujero negro.»
De este modo, la masa de las galaxias probablemente no explica por qué las galaxias silenciosas forman menos estrellas; más bien, es probable que sea la masa del agujero negro en su interior la que determine la tasa de formación estelar de una galaxia.
«Cuanto más masivo es el agujero negro de una galaxia, menor es su reserva de gas atómico», afirma Elbaz.
El investigador añadió que el gas frío que alimenta la formación de estrellas en las galaxias procede de la materia que cae en las galaxias, o «se acreta», desde el espacio intergaláctico, también conocido como el espacio entre galaxias. El análisis del equipo muestra que el volumen de gas frío de estos depósitos galácticos disminuye al aumentar la masa de los agujeros negros. «Esto sugiere que los agujeros negros tienen el poder de impedir que las galaxias reciban materia del exterior», afirma Elbaz.
Galaxia espiral con un AGN brillante y grandes cantidades de gas frío (Crédito de la imagen: NASA, ESA y D. Thilker (Universidad Johns Hopkins), Procesamiento de imágenes: Gladys Kober (NASA/Universidad Católica de América))
Elbaz explicó que hay dos formas posibles de interpretar el descubrimiento de una conexión entre la masa de un agujero negro supermasivo y la posibilidad de que esta galaxia siga formando estrellas activamente.
«En primer lugar, el agujero negro puede expulsar gas fuera de la galaxia, pero esta opción se enfrenta a un problema: Vemos que muchas galaxias experimentan formación estelar a pesar de tener un agujero negro activo en ellas», dijo. «En segundo lugar, los chorros de un agujero negro activo pueden calentar el gas intergaláctico circundante e impedir que alimente a la galaxia. Esto se llama inanición galáctica».
Este segundo mecanismo es la solución preferida de los investigadores; también es la que parecen favorecer las crecientes simulaciones numéricas del universo. Sin embargo, para ser claros, el equipo carece de pruebas observacionales para validar esta hipótesis.
«Dado que la mayoría de los estudios anteriores no han logrado ver una firma directa de la conexión entre los agujeros negros y los depósitos de gas que no pudiera explicarse de otro modo, el principal hallazgo de este estudio fue una sorpresa», concluyó Elbaz. «Eso a pesar del hecho de que proporciona una explicación lógica para el comportamiento de las galaxias que observamos en el universo».
Elbaz explicó que las galaxias tienen otro componente gaseoso -el gas molecular más denso- y que el equipo centrará su atención en este tema a continuación.
Explicó que el siguiente paso para el equipo será combinar su análisis de ambos tipos de gas. Esto debería permitirles determinar cuánto gas cósmico ha caído en las galaxias hace relativamente poco tiempo. La dependencia de la formación estelar y, por tanto, del crecimiento de las galaxias del gas molecular denso podrá compararse entonces con las masas de los agujeros negros supermasivos.
«Esto podría hacerse utilizando el observatorio ALMA (Atacama Large Millimeter Array)», dijo Elbaz.
La investigación del equipo se publicó la semana pasada en la revista Nature.
