Los vientos de agujeros negros podrían limitar la formación de estrellas en galaxias

Un grupo de astrónomos de la Universidad de Michigan se acercó a resolver un misterio cósmico que ha intrigado a la comunidad científica: ¿por qué algunas de las galaxias más grandes del universo parecen tener menos estrellas de lo esperado? A través de observaciones realizadas por la misión XRISM, respaldada por NASA y JAXA, se presentó evidencia sólida de que los agujeros negros supermasivos pueden liberar vientos poderosos que arrastran el material necesario para formar nuevas estrellas.

Los modelos actuales sugieren que las galaxias más masivas deberían contener más masa estelar de la que los astrónomos han logrado observar. Esta discrepancia indica que existe algún proceso que está suprimiendo la formación estelar. La estudiante de doctorado Xin "Cindy" Xiang utilizó datos de XRISM para investigar una de las explicaciones más prominentes y encontró evidencias que apuntan directamente a los agujeros negros.

Los agujeros negros son conocidos por tener una gravedad tan intensa que ni la luz puede escapar una vez que cruza un límite específico. Sin embargo, también generan regiones extremadamente brillantes a su alrededor. A medida que el gas y el polvo giran hacia el interior, forman un disco de acreción que emite enormes cantidades de energía, incluyendo potentes rayos X.

Vientos de agujeros negros y formación estelar

Los discos de acreción son algunos de los entornos más energéticos del universo. El material que cae hacia el agujero negro se calienta por la gravedad y la fricción hasta convertirse en un plasma intensamente caliente. Al mismo tiempo, el disco puede lanzar potentes flujos de materia hacia el exterior.

Estos vientos pueden ser lo suficientemente fuertes como para barrer gas fuera de una galaxia. Dado que el gas es el material crudo necesario para crear nuevas estrellas, tales flujos podrían reducir significativamente la formación estelar futura.

Los datos de XRISM respaldan esta posibilidad. La misión, liderada por la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón en colaboración con NASA y la Agencia Espacial Europea, comenzó sus observaciones científicas en el otoño de 2024.

"Antes, sin XRISM, solo podíamos ver características amplias de los flujos", afirmó Xiang. "Pero necesitas poder resolver características finas para responder preguntas importantes. ¿Cuál es su estructura y geometría? ¿Cómo se lanzan los vientos y cuándo?"

XRISM ofrece una vista más nítida

Lanzado en 2023, XRISM mejoró la resolución de energía en aproximadamente diez veces en comparación con su predecesor, lo que permite a los astrónomos examinar los entornos de los agujeros negros con mayor detalle.

Xiang y sus colaboradores se centraron en NGC 4151, una galaxia brillante ubicada a poco más de 50 millones de años luz de la Tierra. En su centro se encuentra un núcleo galáctico activo, donde un agujero negro supermasivo consume material y genera un disco de acreción luminoso. Esto convierte a NGC 4151 en un laboratorio ideal para estudiar los flujos impulsados por agujeros negros.

"Con XRISM, tenemos la mejor resolución para observar el AGN más brillante y estamos obteniendo la información más rica sobre flujos que hemos observado hasta ahora para un disco de acreción", comentó Xiang.

Junto al profesor de astronomía de la Universidad de Michigan, Jon Miller, Xiang demostró previamente que los vientos del disco de acreción de NGC 4151 pueden alcanzar velocidades suficientes para expulsar material del sistema. También identificó el mecanismo probable que impulsa estos flujos, que parece ser lo que se conoce como "impulsión magnetocentrifugal", similar a lo que desencadena las erupciones solares.

Rastreando los flujos más rápidos de agujeros negros

En la 248ª reunión de la Sociedad Astronómica Americana en Pasadena, California, Xiang presentó un nuevo método para determinar cuándo están activos los poderosos vientos de NGC 4151. Este enfoque podría ayudar a los investigadores a identificar flujos similares en otras galaxias y mejorar la comprensión de los AGN en todo el universo.

Dado que los vientos de AGN pueden cambiar drásticamente con el tiempo, Xiang necesitaba una forma de precisar cuándo ocurrieron los flujos más rápidos y fuertes. Para ello, analizó cientos de días de observaciones de XRISM de NGC 4151.

Su trabajo se centró en períodos en los que la emisión de rayos X de la galaxia aumentó en destellos y en cómo evolucionó la señal de rayos X en las horas posteriores.

Además de medir el brillo, Xiang estudió si los rayos X detectados eran relativamente duros o suaves, una propiedad comparable al color en la luz visible. Combinó estas mediciones en un nuevo índice llamado "índice de intensidad de color". Miller sugirió abreviar el nombre a "cindicidad".

"En parte porque mi nombre es Cindy", explicó Xiang. "Pero la idea es que, en el futuro, podrías decirme la cindicidad de tu fuente en este momento y yo podría decirte la probabilidad de que estés viendo un flujo rápido".

Un nuevo vínculo temporal entre agujeros negros y vientos galácticos

El análisis reveló un patrón sorprendente. En NGC 4151, los vientos más rápidos y fuertes aparecieron cuando los rayos X eran duros pero relativamente tenues.

Los flujos más rápidos no ocurrieron durante los destellos de rayos X en sí, sino que típicamente aparecieron aproximadamente 10,000 segundos, o poco menos de tres horas, después. Este hallazgo proporciona la primera conexión temporal directa entre la actividad de rayos X y los potentes vientos que fluyen del disco de acreción del agujero negro.

Al identificar cuándo ocurren estos flujos, los astrónomos ahora cuentan con una valiosa nueva herramienta para estudiar cómo los agujeros negros influyen en el crecimiento y la evolución de las galaxias, y posiblemente por qué algunas de las galaxias más masivas del universo carecen de tantas estrellas.

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