La misma hora, el mismo lugar: identificando la formación de estrellas en galaxias activas distantes

• Título: Cospatial Star Formation and Supermassive Black Hole Growth in z∼3 Galaxies: Evidence for In-situ Co-evolution
• Autores: W. Rujopakarn, K. Nyland, G. H. Rieke, G. Barro, D. Elbaz, R. J. Ivison, P. Jagannathan, J. D. Silverman, V. Smolcic, T. Wang
• Institución del primer autor: Universidad de Chulalongkorn, Tailandia
• Estado: Aceptado para publicarse en Astrophysical Journal Letters
• Astrobite original: Same time, same place: pinpointing star formation in distant active galaxies por Joanna Ramasawmy

Los núcleos galácticos activos (AGN por sus siglas en inglés), o crecientes agujeros negros supermasivos en los corazones de galaxias masivas, son un elemento desconcertante en la evolución de las galaxias. Se cree que estos monstruos que “devuelven” energía e ímpetu a su entorno desempeñan un papel crucial en la configuración de una galaxia, pero la naturaleza exacta de cómo y qué hacen a sus galaxias anfitrionas sigue siendo bastante controvertida. Podrían ser un mecanismo para limitar la formación estelar e impedir que las galaxias crezcan demasiado, un efecto requerido por las simulaciones cosmológicas, que requieren esta retroalimentación negativa para reproducir la función de luminosidad de la galaxia observada. Sin embargo, también hay evidencia de retroalimentación positiva, en la cual la formación de estrellas se ve reforzada por la actividad de un núcleo activo de galaxia (AGN).

Figura 1. Observaciones en ondas deradio (VLA, izquierda) y submilimétrica (ALMA, derecha) de tres de las galaxias en la muestra. Las elipses rojas y azules en las esquinas superiores derechas muestran el tamaño del haz. Crédito: Figura 2 en el artículo.

Los autores del astrobito de hoy no están tan preocupados sobre cómo los AGN afectan la formación de estrellas en sus galaxias anfitrionas, sino donde estos dos procesos están sucediendo. Explotan los datos de mayor resolución disponibles para resolver espacialmente las regiones de formación estelar y la ubicación del agujero negro acretor.

El primer desafío en un estudio como este es encontrar el AGN. El agujero negro en sí está generalmente dentro de una región oscura y espesa de polvo y gas, que absorbe la mayor parte de la emisión con la que podríamos identificarlos. Los autores identifican los AGN por su firma en ondas de radio usando el Very Large Array (VLA) de Karl G. Jansky, encontrando fuentes que tienen un exceso de emisión de radio por encima de lo que se esperaría de la formación estelar sola. Las frecuencias de radio no son absorbidas por el polvo y el gas, por lo que pueden detectarse en el núcleo de un AGN, y la resolución que se obtiene al utilizar el VLA permite una precisión de milisegundos de arco para localizar esta emisión en ondas de radio. Esto produce una muestra de seis AGN de ​​radio a alto desplazamiento al rojo (entre z = 1.29 yz = 3.83).

Figura 2. Una antena de ALMA al atardecer. Crédito: H. Calderón – ALMA (ESO / NRAO / NAOJ)

Para localizar las regiones de formación de estrellas en las galaxias anfitrionas de estos AGN, los autores utilizan datos de Atacama Large Millimeter Array (ALMA). Este interferómetro ha revolucionado la astronomía milimétrica y submilimétrica, permitiéndonos sondear el universo de baja energía a una súper alta resolución, ya sea en discos protoplanetarios cercanos o en las galaxias más distantes del universo. Aquí, las observaciones de ALMA investigan la emisión de polvo frío calentado por estrellas recién formadas. Dado que esto es relativamente no contaminado por la emisión del polvo mucho más caliente del disco alrededor del AGN, es un buen rastreador de la formación de estrellas en galaxias distantes. Al igual que el VLA, la alta resolución angular de ALMA significa que esta emisión puede localizarse con una precisión notablemente alta, y para tres de las seis fuentes, la resolución es lo suficientemente alta como para resolver espacialmente la región de formación de estrellas. La radio y las imágenes submilimétricas de estas tres fuentes se muestran en la Figura 1.

Combinando datos de estos dos instrumentos de alta resolución que exploran diferentes longitudes de onda, los autores obtienen información resuelta espacialmente en dos procesos físicos muy diferentes. El resultado se muestra en la figura 3: descubren que los crecientes agujeros negros supermasivos están incrustados dentro de las regiones que están formando estrellas rápidamente. De hecho, son capaces de identificar las ubicaciones de dos procesos a alrededor de 100 parsecs, lo cual es increíblemente preciso, teniendo en cuenta que estas galaxias están en el universo temprano a distancias de decenas de miles de millones de años luz (esto es, distancia comóvil radial calculada usando la cosmología asumida por el artículo y esta calculadora de cosmología en linea).

Figura 3. Primeros planos de 5 kpc centrales de las tres fuentes de la Figura 1, que muestran las posiciones de la región del AGN (roja) y de formación de estrellas (azul). Las elipsis muestran la incertidumbre de 3 sigma en las posiciones del centroide. Crédito: Figura 3 en el papel.

Este estudio es solo de una muestra muy pequeña -tres fuentes, más tres más que necesitan observaciones de ALMA de mayor resolución para estar seguros- pero proporciona una prueba de concepto de combinar estos dos instrumentos para descubrir el papel de AGN en la evolución de galaxias. Si esto resulta ser el caso en general, entonces un período de crecimiento de agujero negro y formación de estrellas como se observa aquí podría ser el origen de las relaciones cercanas entre bultos de galaxias masivas y agujeros negros supermasivos observados en galaxias cercanas. Si bien esto todavía no nos dice todo acerca de cómo un AGN afecta su galaxia anfitriona, podría explicar las estrechas correlaciones entre las propiedades de protuberancia de las galaxias y la masa de los agujeros negros supermasivos que acechan en su interior: una de las observaciones más significativas que motiva la búsqueda para una conexión AGN – galaxia.