No todas las galaxias activas son iguales: observaciones en el infrarrojo revelan dos familias distintas

Los núcleos galácticos activos (AGN, por sus siglas en inglés) son zonas situadas en el centro de ciertas galaxias donde un agujero negro supermasivo libera una enorme cantidad de energía al absorber la materia que lo rodea. Estos núcleos pueden influir en la evolución de galaxias completas gracias a su capacidad para arrastrar elementos químicos y generar potentes vientos que afectan el entorno galáctico. Además, estos objetos son puntuales y están ocultos tras densas nubes de polvo, lo que dificulta su estudio directo.

“El rango infrarrojo es especialmente útil porque es capaz de penetrar en las nubes de polvo que cubren muchos de estos fenómenos y revela transiciones energéticas que corresponden a iones solo presentes cuando el campo de radiación es muy intenso, sustituyendo a la detección directa en rayos X o en el ultravioleta”, explica Enrique Pérez Montero, investigador del IAA-CSIC y responsable del estudio.

Representación artística de un núcleo galáctico activo (AGN). Créditos: ESO/M. Kornmesser

El estudio —publicado en la revista Astronomy & Astrophysics y liderado por el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), en colaboración con el Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón (CEFCA)— revela que los núcleos activos de galaxias, considerados hasta ahora un grupo homogéneo, en realidad se dividen en dos tipos bien diferenciados cuando se analizan en el infrarrojo. Esto sugiere que los agujeros negros que los alimentan podrían pasar por distintas fases de evolución energética.

Declaración de Enrique Pérez Montero, investigador del IAA-CSIC y responsable del estudio. Sonificación: A la izquierda aparecen los diagramas de histéresis, y a la derecha, dos figuras representando el estado disco (SOFT) y jet (HARD), que se iluminan en color o se ponen en gris cuando el objeto está en un estado o en otro. En las transiciones entre estados se ponen las dos figuras en color verde, para plasmar que hay un estado intermedio donde no domina ninguno. Crédito: Juan Antonio Fernández Ontiveros (CEFCA)

GALAXIAS ACTIVAS BAJO LA LUPA INFRARROJA

El estudio describe cómo se pueden investigar fenómenos extremadamente violentos que tienen lugar en galaxias situadas a millones de años luz gracias a las huellas que dejan en el gas que las rodea. Este gas actúa como una especie de mensajero: absorbe la radiación más energética —que no podemos detectar directamente— y la vuelve a emitir en longitudes de onda más accesibles, como el infrarrojo o la luz visible. De este modo, los científicos pueden reconstruir lo que ocurre en el corazón de estas galaxias, sin necesidad de "verlo" directamente, lo que resulta clave para entender cómo han evolucionado a lo largo del tiempo.

Aunque el rango infrarrojo cercano y medio, que es invisible para el ojo humano, resulta clave para estudiar el interior de las galaxias activas, también presenta una gran dificultad: gran parte de esta radiación no logra atravesar la atmósfera terrestre, ya que es absorbida por el vapor de agua y otras moléculas. Por eso, hasta la llegada de telescopios espaciales como Spitzer (NASA), Herschel (ESA) o, más recientemente, el James Webb (JWST), esta información no ha podido ser usada de manera exhaustiva para explorar qué fenómenos acontecen en el interior de estas galaxias.

El Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA‑CSIC) ha desarrollado una nueva técnica para analizar la radiación que emiten los núcleos activos de galaxias (AGN). Esta se basa en el uso de determinadas líneas del infrarrojo que, no solo son capaces de atravesar las densas nubes de polvo, sino que, además, permite estudiar las transiciones más energéticas que tienen lugar en su entorno.

Los agujeros negros supermasivos en galaxias activas muestran estados de acreción similares a los observados en los agujeros negros de masa estelar en nuestra galaxia. Crédito: Teo Muñoz Darias/Juan A. Fernández Ontiveros

Gracias a este método, el equipo ha descubierto que los núcleos galácticos activos se agrupan en dos familias bien diferenciadas: una emite un espectro ionizante más duro, pero resulta menos eficiente, mientras que la otra muestra un espectro más suave y luminoso. Ambos grupos presentan poblaciones muy similares y, según el equipo investigador, podrían representar dos fases evolutivas distintas entre las que la transición ocurre con relativa rapidez, como demuestra la escasez de galaxias con características intermedias. "Estos dos estados podrían corresponder a distintos modos de eficiencia energética del disco de acreción, que es la región donde la materia emite la energía antes de caer al pozo de gravedad del agujero", detalla Pérez-Montero.

Según Juan Antonio Fernández Ontiveros, investigador del CEFCA y coautor del estudio, los núcleos activos de galaxias podrían comportarse de forma similar a ciertos sistemas de estrellas conocidos como binarias de rayos X, en los que una de las estrellas es un agujero negro. "En ambos casos observamos una especie de ciclo: hay una fase en la que el material que cae hacia el agujero negro emite poca luz, y otra en la que esa emisión se vuelve mucho más intensa", explica.

En la fase menos brillante, el disco de material que rodea al agujero negro está más alejado y genera una nube de electrones muy energéticos, que puede incluso producir un chorro de partículas a gran velocidad. En la fase más brillante, el disco se acerca al agujero negro, aumenta su intensidad luminosa, pero emite menos radiación de alta energía. "Como el centro de estas galaxias está envuelto en grandes nubes de polvo, solo podemos estudiar estos ciclos de forma indirecta, a través de la radiación infrarroja", añade Fernández Ontiveros.

Representación artística de Cygnus X-1, un sistema estelar binario de rayos X, que contiene un agujero negro. Créditos: NASA

CUANDO EL UNIVERSO SE ESCUCHA

Enrique Pérez Montero estudia los mecanismos de emisión de energía producidos por eventos de formación estelar masiva y por núcleos activos de galaxias, así como su interacción con el medio interestelar, desde la más completa oscuridad. Padece una enfermedad degenerativa de la retina, denominada retinosis pigmentaria, que le obligó a afiliarse a la ONCE hace ya catorce años, pero que no le ha impedido continuar su carrera investigadora en el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC).

Como parte de las adaptaciones necesarias para facilitar su trabajo, y también con el objetivo de explorar nuevas formas de hacer accesible la información científica, el coautor del estudio, Juan Antonio Fernández Ontiveros, programó una sonificación, es decir, la traducción de los datos a sonidos. Esta herramienta permite escuchar cómo varía la emisión de una estrella binaria de rayos X —en este caso, GX339-4, observada en 2007— y revela patrones que, según el estudio, podrían estar presentes también en los núcleos activos de galaxias, aunque a una escala mucho mayor.