Revisitando bestias fantásticas: Retroalimentación por AGN en galaxias y cúmulos de galaxias

Astrobite Original: Reviewing Fantastic Beasts: AGN Feedback in Galaxies and Clusters
Título: Observational Evidence of Active Galactic Nuclei Feedback
Autores: A. C. Fabian
Institución del primer autor: Institute of Astronomy, University of Cambridge, UK
Estatus del Paper: publicado en Annual Review of Astronomy & Astrophysics, 2012

La escala es el tamaño o extensión relativa de alguna cosa. Es un mecanismo de calibración para medir. Desde la curiosidad científica hasta la aceptación personal de nuestra propia insignificancia cósmica, la escala sirve ha muchos propositos. Toma un tiempo para echar un vistazo en este impresionante link y compruébalo tú mismo. En la astrofísica se lidia constantemente con objetos y fenómenos en escalas comúnmente insondables. Resulta muy complicado explicar estas escalas desde la perspectiva de la vida cotidiana, así que simplemente lo evitaremos y nos enfocaremos en uno des esos fenómenos que gobiernan el Universo. Estamos por visitar uno de los mecanismos que operan entre las más pequeñas y grandes escalas de una galaxia: un agujero negro versus una galaxia entera.

Los núcleos activos de galaxias (AGN por sus siglas en inglés) son los centros luminosos de galaxias que hospedan un agujero negro activo el cual está acretando materia (gas en su mayoría). Esta materia alimenta el AGN, que se puede observar en la forma de un superluminoso quasar o en muchos otros casos como un radio jet. Tanto los AGN como su efecto en su medio ambiente ya ha sido revisados en este blog en el pasado, aunque el enfoque ha sido hacia las simulaciones en esa ocasión. Uno de los grandes logros astrofísicos de la historia fue identificar estas fantásticas bestias (y donde encontrarlas) en un simple modelo físico (Figura 1).

Figura 1: Representación artística de un núcleo activo de galaxia. En el gráfico dentro del círculo interior se muestra el disco de acreción del agujero negro. Las distancias estan pc=parsec, una unidad astrofísica usada por razones historicas igual a ~ 3 años luz.

El por qué el AGN es crucial para la formación y evolución de la galaxia donde reside ha sido un problema abierto por mucho tiempo. No obstante, podemos aproximarnos a la respuesta definitiva con mejores instrumentos de observación y simulaciones. A continuación, mostramos las observaciones que encendieron la curiosidad de los AGN en primer lugar (Figura 2).

Figura 2: (a) La famosa relación M-σ que correlaciona la masa del agujero negro central con la dispersión de velocidades de otros elementos de la galaxia, como las estrellas o el gas. (b) La muestra de la falta de galaxias de alta masa en las observaciones de galaxias elípticas, usando la luminosidad como indicador del contenido de estrellas en una galaxias. La distribución de objetos luminosos como función de la masa es graficada también.

En primer lugar, para una galaxia en particular, parece existir una buena correlación entre la masa del agujero negro central y la velocidad con la que las estrellas y el gas galáctico giran alrededor del centro. A esta cantidad la llamamos dispersión de velocidades σ (Figura 2a). Esto implica que el agujero negro central (a escalas de 0.1 parsec) esta íntimamente conectado con la física y evolución de la materia en la galaxia, constantemente influenciando esta (¡a escalas de 10-100 parsec!).

En segundo lugar, para formar estrellas en las galaxias, es necesario que el gas en el cosmos se enfríe. El gas caliente no se comprime y, por ende, no se condensa en galaxias. En las simulaciones cosmológicas, se observa una sobreproducción de galaxias luminosas masivas (Figura 2b). Proto galaxias masivas (o los halos de materia oscura que los hospedan) tienden a enfriarse más rápido, y formar galaxias masivas con formación estelar fuerte (star-forming). Pero en las observaciones no se ven suficientes galaxias masivas, sugiriendo que existe un mecanismo que calienta el gas y que no esta permitiendo al gas enfriarse lo suficiente para formar estrellas con galaxias más luminosas. Ese es el llamado problema del cooling-flow (flujos fríos) de los cúmulos de galaxias.

La respuesta a estos dos problemas esta íntimamente ligado al AGN, un monstruo que esta alimentando de energía y momento a su medio circundante. El artículo técnico que discutiremos en esta ocasión trata en detalle estos problemas y se establece una solución que recae sobre el papel que juega el AGN en la galaxia. Él describe dos modos que se han sido observados en AGN: radiativo y cinético. El modo radiativo es responsable de un calentamiento uniforme en el ambiente de los alrededores y es responsable por de la relación M-σ (masa-dispersión de velocidades) a escalas galácticas. El modo cinético, por otro lado, mantiene el balance de calentamiento/enfriamiento en el valor exacto para formar las estrellas que observamos, tal como se ve en observaciones de rayos X, óptico y radio.

Figura 3: La figura a la izquierda muestra la evolución en el tiempo (hacia abajo) del modo radiativo. Un reservorio de gas es expelido hacia las regiones exteriores debido a la radiación del AGN, transportando calor por vientos estelares. La figura de la derecha muestra la evolución del modo cinético, donde una galaxia inyecta, mediante jets relativistas, calor a la atmósfera.

Entonces, los jets de radio vistos en el modo cinético expelen gas “radio-calentado” de la materia que conforma el disco de acreción del agujero negro hacia el medio intra-cúmular (ICM por sus siglas en inglés) el cuál es calentado a una temperatura a la cual empieza a emitir en rayos X. En la imágenes en rayos X (Figura 4) de cúmulos de galaxias conteniendo algún poderoso AGN, se pueden apreciar “cavidades”, las cuales coinciden espacialmente con los jets que emiten en radio frecuencias.

Figura 4: (a) Galaxia M87 con jets de AGN chocando contra el gas de los alrededores. (b) Imagen que muestra tanto la señal en radio (rojo) proveniente de los jets del AGN, como la emisión de rayos X (azul), que representan una clara evidencia de la retroalimentación del AGN.

A este tipo de retroalimentación del AGN se le podría considerar “negativa”, ya que previene que el gas se enfríe y que haya una subsecuente formación de estrellas. No obstante, también se ve evidencia de que el AGN puede contribuir a la retroalimentación de manera “positiva”. Ellos lo hacen cuando los jets de los AGN chocan con el ICM y comprimen el gas, obligándolo a emitir radiación y por ende a enfriarse, lo que permite la formación estelar. Más allá, existe una fuerte dependencia en la morfología de los AGN, ya que la mayoría de ellos habitan galaxias elípticas. Sabemos que dichas galaxias se forman como resultados de fusiones de galaxias en el pasado distante, ya que la unión de dos galaxias espirales da como resultado una galaxia elíptica que destruye el patrón de disco espiral. ¿Es posible que sea mera coincidencia que las galaxias elípticas esten conectadas a las fusiones y a los AGN? ¿O será acaso que la fusión fue la fuente de combustible del disco de acreción del agujero negro, supliendole de gas y causando la alta luminosidad del AGN?

La respuesta podría venir con el advenimiento de nuevos y mejores telescopios. Detectores en radio, como ALMA y SKA, así como futuras misiones de rayos X que precedan a Chandra nos permitirán entender mejor la retroalimentación del AGN. Este es el sentimiento que nos deja el artículo técnico de hoy. Ya se están buscando otras pruebas también. Por ejemplo, Planck, SPT y ACT, los cuales usan la radiación cósmica de fondo (CMB por sus siglas en inglés) han mapeado el cielo con una resolución nunca antes vista para intentar caracterizar la retroalimentación en el centro de los cúmulos con el efecto Sunyaev-Zel’dovich. Este es, sin lugar a dudas, un gran momento para estar vivos.