El 12 de mayo, en nueve conferencias de prensa simultáneas en todo el mundo, los astrofísicos reveló la primera imagen del agujero negro en el corazón de la Vía Láctea. Al principio, por increíble que fuera, la imagen minuciosamente producida del anillo de luz alrededor del pozo de oscuridad central de nuestra galaxia parecía probar simplemente lo que los expertos ya esperaban: el agujero negro supermasivo de la Vía Láctea existe, está girando y obedece a las leyes de Albert Einstein. teoría general de la relatividad.
Y, sin embargo, en una inspección más cercana, las cosas no cuadran del todo.
A partir del brillo del bagel de luz, los investigadores han estimado cuan rápido la materia está cayendo sobre Sagitario A*, el nombre dado al agujero negro central de la Vía Láctea. La respuesta es: no rápidamente en absoluto. "Está obstruido hasta un pequeño goteo", dijo priya natarajan, un cosmólogo de la Universidad de Yale, comparando la galaxia con una ducha rota. De alguna manera, solo una milésima parte de la materia que es fluyendo hacia la Vía Láctea desde el medio intergaláctico circundante llega hasta abajo y dentro del agujero. “Eso está revelando un gran problema”, dijo Natarajan. “¿Adónde va este gas? ¿Qué está pasando con el flujo? Está muy claro que nuestra comprensión del crecimiento de los agujeros negros es sospechosa”.
Durante el último cuarto de siglo, los astrofísicos han llegado a reconocer la relación dinámica y unida que existe entre muchas galaxias y los agujeros negros en sus centros. "Ha habido una transición realmente enorme en el campo", dice ramesh narayan, un astrofísico teórico de la Universidad de Harvard. "La sorpresa fue que los agujeros negros son importantes como moldeadores y controladores de cómo evolucionan las galaxias".
Estos agujeros gigantes (concentraciones de materia tan densas que la gravedad impide que escape incluso la luz) son como los motores de las galaxias, pero los investigadores apenas comienzan a comprender cómo funcionan. La gravedad atrae el polvo y el gas hacia el centro galáctico, donde forma un disco de acreción giratorio alrededor del agujero negro supermasivo, calentándose y convirtiéndose en plasma al rojo vivo. Luego, cuando el agujero negro engulle esta materia (ya sea a cuentagotas o en ráfagas repentinas), la energía es expulsada hacia la galaxia en un proceso de retroalimentación. “Cuando crece un agujero negro, está produciendo energía y vertiéndola en el entorno de manera más eficiente que a través de cualquier otro proceso que conocemos en la naturaleza”, dijo. Eliot Quataert, un astrofísico teórico de la Universidad de Princeton. Esta retroalimentación afecta las tasas de formación de estrellas y los patrones de flujo de gas en toda la galaxia.
Pero los investigadores solo tienen ideas vagas sobre los episodios "activos" de los agujeros negros supermasivos, que los convierten en los llamados núcleos galácticos activos (AGN). “¿Cuál es el mecanismo de activación? ¿Qué es el interruptor de apagado? Estas son las preguntas fundamentales a las que todavía estamos tratando de responder”, dijo salón kirsten del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica.
Se sabe que la retroalimentación estelar, que ocurre cuando una estrella explota como una supernova, tiene efectos similares a los de la retroalimentación AGN en una escala más pequeña. Estos motores estelares son fácilmente lo suficientemente grandes como para regular pequeñas galaxias "enanas", mientras que solo los motores gigantes de los agujeros negros supermasivos pueden dominar la evolución de las galaxias "elípticas" más grandes.
En cuanto al tamaño, la Vía Láctea, una galaxia espiral típica, se encuentra en el medio. Con pocos signos evidentes de actividad en su centro, durante mucho tiempo se pensó que nuestra galaxia estaba dominada por la retroalimentación estelar. Pero varias observaciones recientes sugieren que la retroalimentación de AGN también le da forma. Mediante el estudio de los detalles de la interacción entre estos mecanismos de retroalimentación en nuestra galaxia de origen, y lidiando con acertijos como la oscuridad actual de Sagitario A*, los astrofísicos esperan descubrir cómo coevolucionan las galaxias y los agujeros negros en general. La Vía Láctea “se está convirtiendo en el laboratorio astrofísico más poderoso”, dijo Natarajan. Al servir como un microcosmos, “puede tener la clave”.
Motores galácticos
A fines de la década de 1990, los astrónomos generalmente aceptaban la presencia de agujeros negros en los centros de las galaxias. Para entonces, podían ver lo suficientemente cerca de estos objetos invisibles para deducir su masa a partir de los movimientos de las estrellas a su alrededor. A surgió una extraña correlación: Cuanto más masiva es una galaxia, más pesado es su agujero negro central. “Esto fue particularmente estricto y fue totalmente revolucionario. De alguna manera, el agujero negro está hablando con la galaxia”, dijo Tiziana Di Mateo, astrofísico de la Universidad Carnegie Mellon.
La correlación es sorprendente cuando se considera que el agujero negro, por grande que sea, es una pequeña fracción del tamaño de la galaxia. (Sagitario A* pesa aproximadamente 4 millones de soles, por ejemplo, mientras que la Vía Láctea mide alrededor de 1.5 billones de masas solares). Debido a esto, la gravedad del agujero negro solo atrae con cierta fuerza a la región más interna de la galaxia.
Para Martin Rees, astrónomo real del Reino Unido, la retroalimentación de AGN ofreció una forma natural de conectar el agujero negro relativamente pequeño con la galaxia en general. Dos décadas antes, en la década de 1970, Rees planteó correctamente la hipótesis de que los agujeros negros supermasivos potencia los chorros luminosos observado en algunas galaxias lejanas y muy brillantes llamadas cuásares. El incluso propuesto, junto con Donald Lynden-Bell, que un agujero negro explicaría por qué brilla el centro de la Vía Láctea. ¿Podrían ser estos signos de un fenómeno general que rige el tamaño de los agujeros negros supermasivos en todas partes?
La idea era que cuanta más materia traga un agujero negro, más brillante se vuelve, y el aumento de energía y el impulso expulsan gas hacia afuera. Eventualmente, la presión hacia afuera evita que el gas caiga dentro del agujero negro. “Eso terminará con el crecimiento. De una manera ondulada a mano, ese fue el razonamiento”, dijo Rees. O, en palabras de Di Matteo, “el agujero negro come y luego traga”. Una galaxia muy grande pone más peso sobre el agujero negro central, lo que dificulta la expulsión de gas hacia el exterior, por lo que el agujero negro se hace más grande antes de tragarlo.
Sin embargo, pocos astrofísicos estaban convencidos de que la energía de la materia que cae podría ser expulsada de una manera tan espectacular. “Cuando estaba haciendo mi tesis, todos estábamos obsesionados con los agujeros negros como un punto de no retorno, solo entraba gas”, dijo Natarajan, quien ayudó a desarrollar los primeros modelos de retroalimentación AGN como estudiante de posgrado de Rees. “Todos tenían que hacerlo con mucha cautela y cautela, ya que era muy radical”.
La confirmación de la idea de la retroalimentación llegó unos años más tarde, a partir de simulaciones por computadora desarrolladas por Di Matteo y los astrofísicos. volker springel y Lars Hernquist. “Queríamos reproducir el asombroso zoológico de galaxias que vemos en el universo real”, dijo Di Matteo. Conocían la imagen básica: las galaxias comienzan pequeñas y densas en el universo primitivo. Da cuerda al reloj y la gravedad aplasta a estos enanos en un estallido de fusiones espectaculares, formando anillos, remolinos, puros y todas las formas intermedias. Las galaxias crecen en tamaño y variedad hasta que, después de suficientes colisiones, se vuelven grandes y uniformes. “Termina en una gota”, dijo Di Matteo. En las simulaciones, ella y sus colegas pudieron recrear estas grandes manchas sin características, llamadas galaxias elípticas, fusionando galaxias espirales muchas veces. Pero había un problema.
Mientras que las galaxias espirales como la Vía Láctea tienen muchas estrellas jóvenes que brillan en azul, las galaxias elípticas gigantes solo contienen estrellas muy viejas que brillan en rojo. “Están rojos y muertos”, dijo Springel, del Instituto Max Planck de Astrofísica en Garching, Alemania. Pero cada vez que el equipo ejecutaba su simulación, escupía elípticas que brillaban en azul. Lo que sea que estaba interrumpiendo la formación de estrellas no había sido capturado en su modelo de computadora.
Entonces, dijo Springel, “tuvimos la idea de aumentar nuestras fusiones de galaxias con agujeros negros supermasivos en el centro. Dejamos que estos agujeros negros tragaran gas y liberaran energía hasta que todo voló, como una olla a presión. De repente, la galaxia elíptica detendría la formación de estrellas y se volvería roja y muerta”.
“Me quedé boquiabierto”, agregó. “No esperábamos que [el efecto] fuera tan extremo”.
Al reproducir elípticas rojas y muertas, la simulación reforzó las teorías de retroalimentación de agujeros negros de Rees y Natarajan. Un agujero negro, a pesar de su tamaño relativamente pequeño, puede comunicarse con la galaxia como un todo a través de la retroalimentación. Durante las últimas dos décadas, los modelos informáticos se han perfeccionado y ampliado para simular grandes franjas del cosmos, y coinciden ampliamente con el ecléctico zoológico de galaxias que vemos a nuestro alrededor. Estas simulaciones también muestran que la energía expulsada de los agujeros negros llena el espacio entre las galaxias con gas caliente que, de lo contrario, ya debería haberse enfriado y convertido en estrellas. “La gente ya está convencida de que los agujeros negros supermasivos son motores muy plausibles”, dijo Springel. “Nadie ha ideado un modelo exitoso sin agujeros negros”.
Misterios de la retroalimentación
Sin embargo, las simulaciones por computadora siguen siendo sorprendentemente contundentes.
A medida que la materia se desliza hacia el interior del disco de acreción alrededor de un agujero negro, la fricción hace que la energía sea expulsada; la cantidad de energía perdida de esta manera es algo que los codificadores ponen en sus simulaciones a mano a través de prueba y error. Es una señal de que los detalles aún son esquivos. “Existe la posibilidad de que, en algunos casos, obtengamos la respuesta correcta por el motivo equivocado”, dijo Quataert. "Tal vez no estemos capturando lo que es realmente lo más importante sobre cómo crecen los agujeros negros y cómo descargan energía en su entorno".
La verdad es que los astrofísicos no saben realmente cómo funciona la retroalimentación AGN. “Sabemos lo importante que es. Pero se nos escapa exactamente qué causa esta retroalimentación”, dijo Di Matteo. “El problema clave es que no entendemos la retroalimentación profundamente, físicamente”.
Saben que parte de la energía se emite en forma de radiación, lo que da a los centros de las galaxias activas su brillo característico. Los fuertes campos magnéticos también hacen que la materia salga volando del disco de acreción, ya sea como vientos galácticos difusos o en poderosos chorros estrechos. El mecanismo por el cual se cree que los agujeros negros lanzan chorros, llamado Proceso de Blandford-Znajek, se identificó en la década de 1970, pero lo que determina la potencia del haz y la cantidad de energía absorbida por la galaxia es "todavía un problema abierto sin resolver", dijo Narayan. El viento galáctico, que emana esféricamente del disco de acreción y por lo tanto tiende a interactuar más directamente con la galaxia que los chorros estrechos, es aún más misterioso. “La pregunta del billón es: ¿Cómo se acopla la energía al gas?” dijo Springel.
Una señal de que todavía hay un problema es que los agujeros negros en las simulaciones cosmológicas de última generación terminan menores que los tamaños observados de agujeros negros supermasivos reales en algunos sistemas. Para detener la formación de estrellas y crear galaxias rojas y muertas, las simulaciones necesitan que los agujeros negros expulsen tanta energía que ahoguen el flujo de materia hacia el interior, de modo que los agujeros negros dejen de crecer. “La retroalimentación en las simulaciones es demasiado agresiva; impide el crecimiento prematuramente”, dijo Natarajan.
La Vía Láctea ejemplifica el problema opuesto: las simulaciones típicamente predicen que una galaxia de su tamaño debería tener un agujero negro entre tres y 10 veces más grande que Sagitario A*.
Al observar más de cerca la Vía Láctea y las galaxias cercanas, los investigadores esperan que podamos comenzar a desentrañar con precisión cómo funciona la retroalimentación AGN.
Ecosistema de la Vía Láctea
En diciembre de 2020, los investigadores del telescopio de rayos X eROSITA informaron que habían vio un par de burbujas extendiéndose decenas de miles de años luz por encima y por debajo de la Vía Láctea. Las vastas burbujas de rayos X se parecían igualmente a las desconcertantes burbujas de rayos gamma que, 10 años antes, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi detectó emanando de la galaxia.
Todavía se estaban debatiendo acaloradamente dos teorías sobre el origen de las burbujas de Fermi. Algunos astrofísicos sugirieron que eran una reliquia de un chorro que salió disparado de Sagitario A* hace millones de años. Otros pensaron que las burbujas eran la energía acumulada de muchas estrellas que explotaban cerca del centro galáctico, una especie de retroalimentación estelar.
Cuándo Hsiang-Yi Karen Yang de la Universidad Nacional Tsing Hua en Taiwán vio la imagen de las burbujas de rayos X eROSITA, ella "comenzó a saltar arriba y abajo". Yang tenía claro que los rayos X podrían tener un origen común con los rayos gamma si ambos fueran generados por el mismo chorro AGN. (Los rayos X provendrían del gas impactado en la Vía Láctea en lugar del propio chorro). Junto con los coautores Ellen Zweibel y Mateusz Ruszkowski, se dedicó a construir un modelo de computadora. Los resultados, publicado en Naturaleza Astrofísica la primavera pasada, no solo reprodujeron la forma de las burbujas observadas y un frente de choque brillante, sino que predijeron que se formaron en el transcurso de 2.6 millones de años (expandiéndose hacia afuera desde un chorro que estuvo activo durante 100,000 XNUMX años), demasiado rápido para ser explicado por comentarios estelares.
El hallazgo sugiere que la retroalimentación de AGN puede ser mucho más importante en las galaxias de disco comunes y corrientes como la Vía Láctea de lo que los investigadores solían pensar. La imagen que está emergiendo es similar a la de un ecosistema, dijo Yang, donde el AGN y la retroalimentación estelar están entrelazados con el gas difuso y caliente que rodea las galaxias, llamado medio circungaláctico. Diferentes efectos y patrones de flujo dominarán en diferentes tipos de galaxias y en diferentes momentos.
Un estudio de caso del pasado y el presente de la Vía Láctea podría revelar la interacción de estos procesos. El telescopio espacial europeo Gaia, por ejemplo, ha mapeado las posiciones y movimientos precisos de millones de estrellas de la Vía Láctea, lo que permite a los astrofísicos rastrear la historia de sus fusiones con galaxias más pequeñas. Se ha planteado la hipótesis de que tales eventos de fusión activan agujeros negros supermasivos al sacudir la materia en ellos, lo que hace que se ilumine repentinamente e incluso lancen chorros. “Hay un gran debate en el campo sobre si las fusiones son importantes o no”, dijo Quataert. Los datos de la estrella Gaia sugieren que la Vía Láctea no experimentó una fusión en el momento en que se formaron las burbujas de Fermi y eROSITA, desfavoreciendo las fusiones como detonantes del jet AGN.
Alternativamente, las gotas de gas pueden chocar con el agujero negro y activarlo. Podría alternar caóticamente entre comer, expulsar energía en forma de chorros y vientos galácticos y hacer una pausa.
La imagen reciente del Event Horizon Telescope de Sagittarius A*, que revela su goteo actual de materia que cae, presenta un nuevo rompecabezas para resolver. Los astrofísicos ya sabían que no todo el gas que ingresa a una galaxia llegará al horizonte del agujero negro, ya que los vientos galácticos empujan hacia afuera contra este flujo de acreción. Pero la fuerza de los vientos necesaria para explicar un flujo tan extremadamente reducido no es realista. “Cuando hago simulaciones, no veo un gran viento”, dijo Narayan. “No es el tipo de viento que necesitas para una explicación completa de lo que está pasando”.
Simulaciones anidadas
Parte del desafío para comprender cómo funcionan las galaxias es la enorme diferencia entre las escalas de longitud que se encuentran en juego en las estrellas y los agujeros negros y las escalas de las galaxias enteras y sus alrededores. Al simular un proceso físico en una computadora, los investigadores eligen una escala e incluyen efectos relevantes en esa escala. Pero en las galaxias, los efectos grandes y pequeños interactúan.
“El agujero negro es realmente pequeño, en comparación con la gran galaxia, y no puedes ponerlos a todos en una sola simulación enorme”, dijo Narayan. “Cada régimen necesita información del otro tipo, pero no sabe cómo hacer la conexión”.
Para tratar de cerrar esta brecha, Narayan, Natarajan y sus colegas están lanzando un proyecto que utilizará simulaciones anidadas para construir un modelo coherente de cómo fluye el gas a través de la Vía Láctea y la galaxia activa cercana Messier 87. “Permites que la información provenga del galaxia para decirle al agujero negro qué hacer, y luego permites que la información del agujero negro regrese y le diga a la galaxia qué hacer”, dijo Narayan. “Es un bucle que da vueltas y vueltas y vueltas”.
Las simulaciones deberían ayudar a aclarar el patrón de flujo del gas difuso dentro y alrededor de las galaxias. (También ayudarán más observaciones del medio circungaláctico realizadas por el Telescopio Espacial James Webb). “Esa es una parte crítica de todo este ecosistema”, dijo Quataert. "¿Cómo se lleva el gas al agujero negro para impulsar toda la energía que vuelve a salir?"
De manera crucial, en el nuevo esquema, todas las entradas y salidas entre simulaciones de diferentes escalas deben ser consistentes, dejando menos diales para girar. “Si la simulación se configura correctamente, decidirá de manera consistente cuánto gas debe llegar al agujero negro”, dijo Narayan. “Podemos investigarlo y preguntar: ¿Por qué no se comió todo el gas? ¿Por qué fue tan quisquilloso y tomó tan poco del gas disponible? El grupo espera crear una serie de instantáneas de las galaxias durante las diferentes fases de su evolución.
Por ahora, gran parte de estos ecosistemas galácticos sigue siendo una corazonada. “Es realmente una nueva era, donde la gente está empezando a pensar en estos escenarios superpuestos”, dijo Yang. “No tengo una respuesta clara, pero espero tenerla en unos años”.
Nota del editor: Priya Natarajan actualmente forma parte del consejo asesor científico de Quanta.
