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Los agujeros negros ayudan en el nacimiento de estrellas

11 de junio de 2021

(Noticias de NanwerkLa investigación que combina observaciones sistemáticas con simulaciones cosmológicas ha descubierto que, sorprendentemente, los agujeros negros pueden ayudar a algunas galaxias a formar nuevas estrellas. A escalas galácticas, el papel de los agujeros negros supermasivos en la formación de estrellas se consideraba anteriormente destructivo: los agujeros negros activos pueden despojar a las galaxias del gas que necesitan las galaxias para formar nuevas estrellas.

Nuevos resultados publicados en la revista naturaleza (“Apagado anisotrópico de las galaxias satélite modificadas por la actividad del agujero negro supermasivo”), muestra situaciones en las que los agujeros negros activos pueden, en cambio, “allanar el camino” para las galaxias que orbitan dentro de cúmulos o cúmulos de galaxias, evitando que esas galaxias interrumpan su formación estelar mientras vuelan a través del gas intergaláctico circundante. Densidad de gas alrededor de una galaxia central masiva en un cúmulo en el universo hipotético de simulación TNG50 Vía Láctea Virtual: densidad de gas alrededor de una galaxia central masiva en un cúmulo en el universo virtual de simulación TNG50. El gas dentro de la galaxia corresponde a la estructura vertical brillante: un disco gaseoso. A la izquierda y a la derecha de esta estructura hay burbujas, áreas que parecen círculos en esta imagen, con una densidad de gas significativamente menor en el interior. Esta geometría de gas se debe a la acción de un agujero negro supermasivo escondido en el centro de la galaxia que empuja el gas hacia afuera preferiblemente en direcciones perpendiculares al disco gaseoso de la galaxia, tallando regiones de menor densidad. (Foto: Colaboración TNG / Dylan Nelson)

Se cree que los agujeros negros activos tienen un efecto devastador en su entorno. Cuando arrojan energía a su galaxia anfitriona, se calientan y escupen el gas de esa galaxia, lo que dificulta que la galaxia produzca nuevas estrellas. Pero ahora, los investigadores han descubierto que la misma actividad en realidad puede ayudar con la formación de estrellas, al menos para las galaxias satélites que orbitan alrededor de la galaxia anfitriona.

El resultado contradictorio provino de la colaboración provocada por una conversación a la hora del almuerzo entre astrónomos especializados en simulaciones por computadora a gran escala y observadores. Como tal, es un buen ejemplo del tipo de interacción informal que se vuelve cada vez más difícil en las condiciones de una pandemia.

Las observaciones astronómicas que implican tomar el espectro de una galaxia distante, la separación similar a un arco iris de la luz de la galaxia en diferentes longitudes de onda, permiten mediciones bastante directas de la velocidad a la que esa galaxia está formando nuevas estrellas.

Según tales mediciones, algunas galaxias están formando estrellas a tasas bastante moderadas. En nuestra Vía Láctea, cada año nacen una o dos estrellas nuevas. Otros sufren ondas cortas de excesiva actividad de formación de estrellas, llamadas “estallidos estelares”, con cientos de estrellas naciendo cada año. En otras galaxias, la formación de estrellas parece estar suprimida o “apagada”, dicen los astrónomos: tales galaxias prácticamente han dejado de formar nuevas estrellas.

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Un tipo especial de galaxias, cuyas muestras a menudo, casi la mitad de las veces, se encuentran en un estado tan apagado, son las llamadas galaxias satélite. Estos son parte de un grupo o grupo de galaxias, su masa es relativamente baja y orbitan alrededor de una galaxia central mucho más grande, similar a la forma en que los satélites orbitan la Tierra.

Estas galaxias suelen formar muy pocas estrellas nuevas, si es que las hay, y desde la década de 1970 los astrónomos han sospechado que algo muy cercano a un viento en contra podría ser la causa: los cúmulos de galaxias y los cúmulos de galaxias no solo contienen galaxias, sino que también están llenos de gas. . espacio intergaláctico.

Cuando una galaxia satélite orbita a través del cúmulo a cientos de kilómetros por segundo, el gas delgado hará que se sienta el mismo tipo de “viento en contra” que sentiría cualquiera que conduzca una bicicleta o una motocicleta rápida. Las estrellas de una galaxia satélite están demasiado comprimidas para verse afectadas por el flujo constante de gas entrante entre las galaxias.

Pero el gas de las galaxias espaciales no lo es: será despojado del gas caliente entrante en un proceso conocido como “extracción por presión de ariete”. Por otro lado, una galaxia que se mueve rápidamente no tiene la oportunidad de extraer suficiente gas intergaláctico para reponer su tanque de gasolina. El resultado es que estas galaxias satélite pierden casi todo su gas y, con él, las materias primas necesarias para formar estrellas. Como resultado, la actividad de formación de estrellas se apagará.

Los procesos involucrados tienen lugar durante millones o incluso miles de millones de años, por lo que no podemos verlos suceder directamente. Pero aún así, hay formas en que los astrónomos pueden averiguar más. Pueden usar simulaciones por computadora de universos virtuales, programadas para seguir las leyes relevantes de la física, y comparar los resultados con lo que realmente observamos. Y pueden buscar pistas anecdóticas en la “instantánea” completa de la evolución cósmica proporcionada por las observaciones astronómicas.

Annalisa Pillepich, líder de grupo del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA), está especializada en simulaciones de este tipo. El grupo de simulación IllustrisTNG, codirigido por Bilibish, proporciona los universos hipotéticos más detallados hasta la fecha: universos en los que los investigadores pueden seguir el movimiento del gas en escalas relativamente pequeñas.

IllustrisTNG ofrece algunos ejemplos extremos de galaxias satélites que han sido recientemente despojadas por la presión del ariete: las llamadas “galaxias medusas”, que se quedan atrás de sus residuos de gas como las medusas se quedan atrás de sus tentáculos. De hecho, identificar todas las medusas en la simulación es un proyecto de ciencia ciudadana lanzado recientemente en la plataforma Zooniverse, donde los voluntarios pueden ayudar a investigar este tipo de galaxia recién irrigada.

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Pero, si bien las galaxias medusas son relevantes, no es donde comenzó el proyecto de investigación actual. Durante el almuerzo en noviembre de 2019, Bilibish relató un hallazgo diferente de IllustrisTNG a Ignacio Martin Navarro, un astrónomo de observación que estaba en la Beca Marie Curie del MPIA. Resultado sobre el impacto de agujeros negros supermasivos que han pasado por alto la galaxia anfitriona, en el espacio intergaláctico.

Estos agujeros negros supermasivos se pueden encontrar en el centro de todas las galaxias. La materia que cae en un agujero negro de este tipo generalmente se convierte en parte del llamado disco de acreción giratorio que rodea al agujero negro, antes de caer en el propio agujero negro. Esta caída sobre el disco de acreción libera una gran cantidad de energía en forma de radiación y, a menudo, también en forma de dos chorros de partículas que se mueven rápidamente, que se alejan del agujero negro en ángulo recto con el disco de acreción. Un agujero negro supermasivo que emite energía de esta manera se llama Núcleo Galáctico Activo, AGN para abreviar.

Si bien IllustrisTNG no es lo suficientemente detallado como para incluir chorros de agujeros negros, sí contiene términos físicos que simulan cómo los núcleos galácticos activos se agregan al gas circundante. Como mostraron las simulaciones, la inyección de energía provocaría salidas de gas, que a su vez se encaminarían por un camino de menor resistencia: en el caso de galaxias de disco similares a nuestra Vía Láctea, perpendiculares al disco estelar; Para las llamadas galaxias elípticas, perpendicular a un plano preferido adecuado definido por la disposición de las estrellas de la galaxia.

Con el tiempo, el gas dipolo fluirá hacia afuera, perpendicular al disco o plano preferido, hasta el punto de afectar el entorno intergaláctico, el gas delgado que rodea la galaxia. Empujarán el gas intergaláctico y cada salida creará una burbuja gigante. Fue este cálculo el que hizo pensar a Bilibich y Martin Navarro: si una galaxia satélite pasara a través de esa burbuja, ¿se vería afectada por el flujo de salida y su actividad de formación de estrellas se sofocaría aún más?

Martín-Navarro abordó esta cuestión dentro de sus propios dominios. Tenía una amplia experiencia trabajando con datos de una de las encuestas sistemáticas más grandes hasta la fecha: Sloan Digital Sky Survey (SDSS), que proporciona imágenes de alta calidad de gran parte del hemisferio norte. En los datos disponibles públicamente de la décima información para este estudio, examinó 30.000 grupos y grupos de galaxias, cada uno de los cuales contiene una galaxia central y, en promedio, 4 galaxias satélites.

En un análisis estadístico de esos miles de sistemas, encontró una pequeña pero notable diferencia entre las galaxias satélites que estaban cerca del plano preferido de la galaxia central y los satélites que estaban significativamente arriba y abajo. Pero la diferencia fue en la dirección opuesta que esperaban los investigadores: los satélites por encima y por debajo del plano, dentro de las burbujas delgadas, en promedio no tenían más probabilidades, pero eran un 5% menos de probabilidades de extinguir la actividad de formación de estrellas.

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Con este sorprendente resultado, Martín-Navarro volvió a Annalisa Pillepich, y los dos realizaron el mismo tipo de análisis estadístico en el universo virtual de la simulación IllustrisTNG. En simulaciones de este tipo, después de todo, los investigadores no elaboraron “manualmente” la evolución cósmica. En cambio, el programa incluye reglas que conforman las reglas de la física para este universo hipotético de la manera más natural posible, que también incluyen condiciones iniciales apropiadas que corresponden al estado de nuestro universo poco después del Big Bang.

Esta es la razón por la que simulaciones como esta dejan espacio para lo inesperado, en este caso particular, para redescubrir la distribución en el plano y fuera del plano de las galaxias satélites apagadas: ¡el universo hipotético mostró la misma desviación del 5% para apagar las galaxias satélites! Claramente, los investigadores estaban en camino hacia algo.

Con el tiempo, Bilbec, Martín Navarro y sus colegas formularon una hipótesis sobre el mecanismo físico detrás de la diferencia de enfriamiento. Supongamos que una galaxia satélite viaja a través de una de las débiles burbujas que el agujero negro central ha lanzado al medio galáctico circundante. Debido a la menor densidad, esa galaxia satélite experimenta menos vientos en contra, menos estrés en la RAM y, por lo tanto, es menos probable que pierda su gas.

Luego vuelve a las estadísticas. Para las galaxias satélites que ya han orbitado alrededor de las mismas galaxias centrales varias veces, pasando burbujas pero también regiones de mayor densidad en el medio, el efecto no será notable. Tales galaxias habrían perdido hace mucho tiempo su gas.

Pero para las galaxias satélites que se han unido al grupo, o cúmulo, más recientemente, la ubicación marcará la diferencia: si esos satélites aterrizan primero en una burbuja, es menos probable que pierdan su gas, y luego si aterrizan fuera de una burbuja. Este efecto podría explicar la diferencia estadística de las galaxias satélites irrigadas.

Con la excelente concordancia entre los análisis estadísticos tanto de las observaciones del SDSS como de la simulación IllustrisTNG, y con una hipótesis razonable del mecanismo, este es un resultado muy prometedor. En el contexto de la evolución galáctica, es especialmente interesante porque confirma, indirectamente, el papel de los núcleos galácticos activos no solo en el calentamiento del gas intergaláctico, sino también en “alejarlo”, creando regiones menos densas. Y, como ocurre con todos los resultados prometedores, ahora hay una serie de direcciones naturales que Martín-Navarro, Pillepich y sus colegas u otros científicos pueden tomar para una mayor exploración.