Prediciendo una señal de reionización por AGN a 21 cm

Título del artículo técnico: Large 21 cm signals from AGN-dominated reionization

Autores: Girish Kulkarni, Tirthankar Roy Choudhury, Ewald Puchwein & Martin Haehnelt

Institución del primer autor: Institute of Astronomy and Kavli Institute of Cosmology, University of Cambridge, Cambridge,UK

Estado: Published in MNRAS [open access]

Astrobite original: Predicting a 21cm AGN reionization signal  por Joshua Kerrigan

Es una idea generalmente aceptada el que las primeras galaxias reionizaron el Universo, sin embargo siempre es interesante y divertido explorar  otras fuentes potencialmente raras, especialmente cuando son tan geniales como los AGN. Ahora, “¿qué son los AGN?” podrías preguntar. Los Núcleos Galácticos Activos (AGN, por sus siglas en inglés), como los cuásares, son galaxias con un núcleo compacto que se piensa  alojan agujeros negros supermasivos en sus centros. Estos agujeros negros centrales acretan materia que les rodea, causando que estas galaxias tengan una luminosidad anormalmente alta a lo largo del espectro electromagnético. Inicialmente se pensaba que los AGN a alto desplazamiento al rojo (redshift, en inglés) eran poco comunes y por tanto no podrían ser una fuente primaria para la reionización. Detecciones recientes de AGN a alto redshift han cambiado esta visión y motivan el astrobito de hoy acerca de cómo los AGN afectan la señal de 21 cm de la reionización.

Evidencia de AGN débiles.

Figura 1: Función de luminosidad de AGN mostrando los AGN débiles (QSO, cuásares) de Giallongo et al. (2015) a un redshift de z=5.8. Esto muestra que hay potencialmente más AGN a alto redshift de lo que inicialmente se pensaba, y provee más motivación para la posibilidad de un escenario de reionización dominada por AGN.

La comprensión original de la función de luminosidad de los AGN era que ésta se hacía relativemente plana a alto redshift, lo que quiere decir que el número de galaxias débiles incrementaba lentamente conforme nos movemos hacia luminosidades bajas. Esto fue algo incómodo cuando se publicó el trabajo de Giallongo et al. (2015), que mostraba que habían encontrado ~20 AGN a alto redshift. Estos AGN levantaron el extremo débil de la función de luminosidad (ver Figura 1), lo que llevaó naturalmente a la pregunta: “¿podrían estos AGN débiles recien encontrados dar cuenta de los fotones necesarios para producir la reionización?”.

Esta no era la única evidencia reciente que apoyaba una reonización dominada por AGN, como las mediciones de la opacidad de Lyman alfa (cuántos fotones son transmitidos a través de algo) que fluctua a escalas supuestamente mayores que lo que verías en una reionización dominada por galaxias. A la luz de este hecho, puede inferirse que los AGN tuvieron un papel más importante en la reionización.

Así que ahora que hemos establecido algo de motivación  sobre el por qué estos objetos son interesantes en términos de la reionización del Universo, ¿es posible discernir entre una ionización dominada por AGN y una dominada por galaxias a partir de la señal en 21 cm del hidrógeno neutro?

El efecto de los AGN sobre la señal de 21 cm

Figura 2: El panel superior muestra la señal de 21 respecto al redshift cuando dominan los AGN, mientras los dos paneles inferiores son reionizaciones dominadas por galaxias. Hay una clara diferencia entre ambos escenarios, donde la señal en 21 cm de la reionización por AGN está más aglomerada, mientras que en la reionización por galaxias sería más dispersa.

Para entender la reionización por AGN, los autores del artículo de hoy usaron la simulación hidrodinámica Sherwood, la cual tiene un alto rango dinámico (lo que significa que retiene información importante a pequeñas y grandes escalas). Para modelar los AGN se usa la relación de la masa del agujero negro con la dispersión de velocidades del bulbo (aprende más sobre ella aquí) para aproximar la masa del agujero negro que a su vez puede darnos el número de fotones ionizantes. Los resultados de esta simulación pueden verse en la Figura 2, donde le panel de arriba demuestra que los AGN dominaron la reionización por la forma en que cambia la señal de 21 cm con el redshift. En términos de fluctuaciones espaciales de la señal de 21 cm, en estas simulaciones hay una clara diferencia de escala para “burbujas” de reionización en las versiones con AGN y con galaxias. El escenario dominado por AGN tiene una obvia cantidad de aglomeración en la señal de 21 cm, la cual tiene más potencia localizada en las mayores escalas (para galaxias, la señal de 21 cm sería más débil a todas las escalas).

Cuando finalmente nos aproximamos a la sensibilidad que nuestros conjuntos de radiotelescopios (HERA, LOFAR, SKA) requieren para hacer una detección de la señal en 21 cm de la reionización, parece que deberíamos ser capaces de descartar rapidamente la reionización dominada por AGN. Esto por supuesto se debe a ese poquito extra de señal a grandes escalas que debería ser detectable primero. Es también una posibilidad muy real (y probable) el que la reionización fuera  llevada a cabo por una mezcla de galaxias y AGN. Esto obviamente complicaría las cosas y podría mantenernos en suspenso hasta que efectivamente podamos tomar imágenes de este proceso.