10 de febrero de 2020
10.02.2020
Gaveta de Astrofísica @Gaveta_Astro

La forma de un punto

La distancia a la que están los objetos astronómicos es gigantesca. Un extremo de desconcierto para los astrónomos es cuando nuestro objeto de estudio, por muy grande que sea el telescopio, no pasa a ser nada más que un punto

10.02.2020 | 06:45
La forma de un punto

La distancia a la que están los objetos astronómicos es gigantesca. Un extremo de desconcierto para los astrónomos es cuando nuestro objeto de estudio, por muy grande que sea el telescopio, no pasa a ser nada más que un punto. Es como si quisiéramos estudiar a una vaca situada a 2000 km de nosotros. Una manera de romper este problema es mejorar las observaciones mediante avances tecnológicos, tal y como el que consiguió recientemente la imagen del anillo luminoso (denominado horizonte de eventos) más próximo al agujero negro en el centro de la galaxia M87. Sin embargo, este avance no significa que podamos hacer imagen de todo lo que antes veíamos como un punto. Hay objetos astronómicos que siguen siendo un simple punto incluso con estas mejoras. De hecho, de todos los núcleos de galaxias, seríamos capaces de ver el horizonte de eventos de solo un par de centros de galaxias más (entre ellos el de la Vía Láctea). Además, esa capacidad de amplificar solo es posible en un rango del espectro electromagnético muy concreto y no todo lo que queremos estudiar emite en ese rango. Esto es como si intentamos oír debajo del agua la sonidos provenientes de una ballena. Las ballenas se comunican en una frecuencia que nuestro oído, al igual que el telescopio Event Horizon que consiguió la imagen de M87, no es capaz de detectar.

He dedicado mi vida científica al estudio de los centros de las galaxias. A pesar de verlos como puntos, están lejos de ser simples. La figura ilustra su compleja estructura interna. Quizás la más importante es un disco compuesto de material que va cayendo al agujero negro supermasivo central y cuyo anillo más interno es justamente ese horizonte de eventos encontrado para M87. De entre estas estructuras, yo he dedicado mucho tiempo a entender las nubes de gas y polvo que se encuentran alrededor del disco. Estas nubes son importantes porque alimentan al disco y/o pueden ser lanzadas por el mismo hacia las partes externas de la galaxia llegando a cambiar su forma.
Se preguntarán que cómo podemos saber de estas componentes sin ser capaces de verlas. Como cada frecuencia da idea de una componente de los núcleos de las galaxias, es muy útil estudiar cómo se ve la energía que emite un objeto por unidad de frecuencia. Esto es lo que se conoce como espectro. En primer lugar los astrónomos teóricos propusieron que los agujeros negros de las galaxias son alimentados por un disco que debe emitir en todas las frecuencias y cuyo máximo de emisión depende de su temperatura. Las observaciones comprobaron que la temperatura del disco hace que este máximo de emisión se encuentre en el óptico. Con esta idea, comenzó a estudiarse los espectros ópticos de los núcleos de las galaxias y se encontró que contenían un buen número de líneas espectrales (picos en el espectro a ciertas frecuencias) que estaban asociados a elementos de la tabla periódica como hidrógeno, oxígeno o nitrógeno. Además, a veces presentan formas ensanchadas y otras veces son muy estrechas. Las líneas ensanchadas se producen cuando las nubes se mueven a velocidades altas mientras que las estrechas se producen por nubes moviéndose más lentamente. Pero ¿por qué algunos centros de galaxias tienen nubes de alta velocidad y otros no?

La teoría más aceptada es que en realidad la mayoría de centros poseen ambos tipos de nubes. Las más lejanas se mueven más lentamente, produciendo líneas estrechas, y las más cercanas se mueven más rápidamente, produciendo las líneas anchas. Entre estas dos estructuras se encuentra una componente de polvo que rodea a las nubes de alta velocidad. Ver las nubes depende de que, desde nuestra esquina del Universo, no interceptemos esta componente de polvo. Es esta componente de polvo la que nos ha tenido intrigados durante décadas a todos los que trabajamos en los núcleos de las galaxias. Se ha propuesto de manera simplificada una estructura de tipo dónut que se encuentra acostada en torno al disco (ver figura). Sin embargo otros modelos dicen que debe ser un viento con forma de cono que es lanzado desde el disco.


Representación artística de las componentes de los núcleos de las galaxias como combinación de tres imágenes. La imagen de fondo es la representación artística del AGN S5 0014+81 (créditos: NASA). La imagen en la esquina superior izquierda es la representación del disco que alimenta al agujero negro supermasivo (créditos: NASA). La imagen en la esquina inferior izquierda es la simulación de la sombra de un agujero negro obtenida con el código RAPTOR (créditos: Bronzwaer, Moscibrodzka, Davelaar y Falcke). Crédito del montaje: Omaira González Martín

Hasta hoy no hemos sido capaces de hacer una imagen de este polvo porque se espera que sea tan compacto que ningún telescopio es capaz de resolverlo. El interferómetro en frecuencias submilimétricas ALMA lo ha intentado para varias galaxias. Sin embargo, si recuerdan, cada componente de la estructura de los centros de las galaxias tiene su máximo de emisión a una frecuencia. En concreto esta componente de polvo tiene su máximo en el infrarrojo. En un trabajo reciente de mi equipo demostramos que el rango de frecuencias submilimétricas contiene solo una fracción muy pequeña de la emisión del polvo, siendo otras componentes las que dominan.
La esperanza la tenemos depositada en el nuevo telescopio espacial James Webb, que será lanzado en 2021 y cuya instrumentación podrá observar con una nitidez sin precedentes en el infrarrojo. Mientras esto no se convierte en una realidad, nuevamente la mejor manera de saber de esta componente de polvo es a través de los espectros, ahora en el infrarrojo. Para ello hemos hecho una comparación sistemática de miles de millones de espectros teóricos utilizando todos los modelos propuestos para esta componente de polvo y los hemos comparado con un centenar de espectros en el infrarrojo de centros de galaxias observados con el satélite Spitzer. El resultado es que la morfología de esta estructura de polvo cambia para distintas clases de núcleos. Los núcleos más brillantes tienden a tener una estructura de polvo en forma de cono, que se interpreta como vientos lanzados por el disco. En los núcleos cuyo disco es algo menos brillante la estructura es estática en forma de dónut donde el polvo se agrupa en gigantescas nubes. Este resultado lo interpretamos como una evolución de la componente de polvo desde núcleos brillantes a núcleos menos brillantes. Es decir, que esta estructura de polvo evoluciona posiblemente transformando a la galaxia también. ¡Cuántas cosas para ser un punto verdad!

Artículo basado en los resultados de las publicaciones científicas Pasetto et al. 2019, González-Martín et al. 2019a y González-Martín et al. 2019b.


Omaira González Martín nació en Lanzarote en 1981. Estudió la Licenciatura en Física en la Universidad de La Laguna y realizó su tesis doctoral en el Instituto de Astrofísica de Andalucía (Granada) sobre núcleos activos de galaxias de baja luminosidad. Después trabajó un año en la Universidad de Leicester (Reino Unido), dos años en la Universidad de Creta (Grecia) y cuatro años en el Instituto de Astrofísica de Canarias. Desde 2014 es personal en plantilla del Instituto de Radioastronomía y Astrofísica de la Universidad Nacional Autónoma de México.

Sección coordinada por Adriana de Lorenzo-Cáceres Rodríguez

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