Descubren una aceleración en los jets de agujeros negros supermasivos que desafía las predicciones teóricas

Los núcleos galácticos activos (AGN, por sus siglas en inglés) son regiones ubicadas en el centro de algunas galaxias, donde un agujero negro supermasivo emite una enorme cantidad de energía al alimentarse de la materia circundante. Durante décadas, el estudio de los AGN ha sido clave para comprender los procesos físicos extremos que ocurren cerca de estos agujeros negros, incluidos los chorros o jets ––potentes flujos de materia y energía–– que lanzan hacia el espacio.

Impresión artística de un núcleo activo de galaxia. Crédito: Juan Carlos Algaba

Recientemente, un equipo internacional liderado por personal científico del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y del Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) en Alemania, ha demostrado que el modelo teórico actual no logra explicar completamente lo que ocurre en las regiones cercanas al agujero negro, donde se forman estos jets.  “El modelo básico no puede ser una descripción perfecta para todos los chorros; lo más probable es que sólo lo sea para una pequeña fracción”, afirma Jan Röder, investigador del IAA-CSIC y líder del trabajo. “La dinámica y la subestructura de los jets son complejas, y los resultados observacionales pueden verse afectados por degeneraciones astrofísicas”.

El trabajo, publicado en la revista Astronomy & Astrophysics, se apoya en el uso de observaciones en múltiples longitudes de onda de AGN para estudiar cómo los agujeros negros lanzan los jets relativistas. Las dieciséis fuentes fueron observadas en 2017, durante la primera campaña del Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT). “La resolución extrema alcanzada por el EHT permitió estudiar los jets más cerca que nunca de los agujeros negros supermasivos en el centro de estas galaxias” apunta Jan Röder (IAA-CSIC). El equipo ha investigado la aceleración y magnetización de los jets al comparar los resultados obtenidos a diversas frecuencias y escalas angulares.

Incremento gradual de la temperatura de brillo según aumenta la distancia al agujero negro supermasivo. Crédito: J. Röder/M. Wielgus

DESMONTANDO EL MODELO CLÁSICO: ACELERACIÓN DE JETS EN NÚCLEOS GALÁCTICOS ACTIVOS

Para entender la compleja física de los potentes chorros de plasma que emergen de los agujeros negros supermasivos en los núcleos activos de galaxias y se extienden miles de años luz en el espacio intergaláctico, son necesarias observaciones con una resolución angular extrema. Esto permite a los astrónomos estudiar de cerca la región donde se forman estos jets.

El Telescopio del Horizonte de Eventos (EHT) es una red de radiotelescopios distribuidos por todo el mundo, trabajando en conjunto para formar un telescopio virtual del tamaño de la Tierra, que proporciona la resolución necesaria para estudiar agujeros negros y sus jets. El EHT es operado por una colaboración internacional de cientos de científicos y fue responsable de obtener las primeras imágenes de agujeros negros supermasivos, en los centros de la Vía Láctea (Sagittarius A*) y M87. Además de estos objetivos principales, durante su campaña de 2017, el EHT observó varios núcleos activos de galaxias AGN.

Ubicaciones de algunos de los telescopios que conforman el EHT, así como las líneas de larga base entre los telescopios. Créditos: ESO/L. Calçada

El modelo más común, asume que los jets tienen forma de cono y contienen plasma que se desplaza a una velocidad constante. Además, se cree que la intensidad del campo magnético y la densidad del plasma disminuyen a medida que nos alejamos del agujero negro que los genera. Para evaluar cuán precisa –o imprecisa– es nuestra comprensión sobre la evolución de los jets, los investigadores compararon los resultados del EHT con observaciones previas de las mismas fuentes. Estas observaciones se realizaron con el Very Long Baseline Array (VLBA) y la Global Millimeter VLBI Array (GMVA), que exploran escalas espaciales mucho mayores que las del EHT.

“Utilizando la muestra de dieciséis AGN, pudimos obtener una perspectiva más amplia sobre el comportamiento de los chorros, en comparación con la mera observación de los objetos individuales. De este modo, los resultados son menos propensos a la influencia de sus respectivas propiedades únicas”, señala Maciek Wielgus, colíder del proyecto en el IAA-CSIC. De esta comparación, fue posible inferir la evolución de los jets desde cerca de su origen, hasta muchos años luz en el espacio interestelar. “Observamos que el brillo de los chorros suele aumentar a medida que crece la distancia al agujero negro, lo que sugiere claramente una aceleración”, indica el investigador del IAA-CSIC.

Vista esquemática de un núcleo galáctico activo (AGN). Desde el agujero negro y su disco de acreción, el chorro relativista se lanza con una geometría parabólica, que posteriormente adopta una forma cónica. Crédito: J. Röder/M. Wielgus

Aunque existen explicaciones alternativas para estas nuevas observaciones, como una desviación de la geometría cónica, el modelo teórico básico claramente no puede reproducir completamente las propiedades de los jets cerca de su origen. “Se necesitan más estudios para comprender completamente el mecanismo de aceleración, el flujo de energía, el papel de los campos magnéticos en los jets de AGN y sus geometrías. La expansión de la red del EHT desempeñará un papel importante en los futuros descubrimientos sobre estos fascinantes objetos”, concluye Jan Röder (IAA-CSIC).