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¿Es culpa de sus estrellas?

Título del artículo técnico: X-rays across the galaxy population – III. The incidence of AGN as a function of star formation rate

Autores: James Aird, Alison L. Coil, Antonis Georgakakis

Institución del primer autor: University of Leicester, Leicester, Reino Unido

Status: Publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, acceso abierto en arXive

Astrobite original: Is the Fault in their Stars? por Keir Birchall

En el centro de casi cada galaxia masiva se encuentra un agujero negro supermasivo (SMBH, por sus siglas en inglés) en el cual ocasionalmente cae gas y polvo. Cuando esto ocurre, la región central es bañada por enormes cantidades de luz y nace un núcleo galáctico activo (AGN, por sus siglas en inglés). Son fenómenos diversos, emitiendo luz en diferentes longitudes de onda, con diferentes intensidades y por diferentes periodos de tiempo. Tal variación en las propiedades observadas hace a los AGN muy difíciles de estudiar. ¿Qué factores o procesos disparan un AGN? ¿Qué rol juega la galaxia anfitriona? Y más específicamente ¿Cómo afecta la formación estelar la posibilidad de que se activen?

Observaciones previas de AGN han mostrado que galaxias con propiedades similares (masa estelar, tasa de formación estelar, etc.) tienen un amplio rango de luminosidades. Por tanto, intentar entender las conexiones subyacentes entre la actividad de los AGN y las propiedades de sus galaxias anfitrionas usando únicamente la luminosidad observada de los AGN es extremadamente desafiante. Por ejemplo, dos galaxias con la misma masa podrían hospedar AGN con luminosidades observadas enormemente diferentes, de lo cual podrías entonces concluir que la galaxia anfitriona jugó un papel muy pequeño en la activación. Sin embargo, esta aproximación no tiene en cuenta que las variantes luminosidades de los AGN podrían ser explicadas si el SMBH central acreta material a diferentes tasas. El artículo de hoy intenta tomar en cuenta estas tasas variantes de acreción de material, y conecta la tasa de formación estelar (SFR, por sus siglas en inglés) de las galaxias a la posibilidad de que vayan a hospedar un AGN.

Usaron una muestra de AGN a alto desplazamiento al rojo (z < 4), con galaxias anfitrionas seleccionadas en el infrarrojo (IR) cercano e identificándolas en datos de rayos X de Chandra. Los autores se aseguraron tener en cuenta las deficiencias del satélite de rayos X para intentar corregir el hecho de que algunos AGN podrían no haber sido detectados. Esta corrección da a los autores un mejor entendimiento de la población subyacente de AGN, no sólo de los que se detectaron. Para cada una de estas galaxias, calcularon una tasa de acreción λ, definida como la razón entre la luminosidad del AGN en todas las longitudes de onda y el límite de acreción teórico del SMBH – aproximadamente igual a la luminosidad en rayos X dividada por la masa estelar. Usando estas distribuciones de tasas de acreción, calcularon tres cantidades, descritas en la figura 1: la fracción de AGN, la fracción de alta λ y la tasa de acreción promedio.

Figura 1: Métodos utilizados para calcular las tres cantidades usadas en el artículo a partir de la distribución de probabilidades de la tasa de acreción. La fracción de AGN (a la izquierda) es la fracción de la distribución cuya emisión está probablemente causada por un AGN y se define como el área bajo la curva de probabilidad para tasas de acreción > 0.01; la fracción de AGN de alta λ (en el medio) traza la fracción de AGN acretando material a alta tasa y se define como el área bajo la curva para tasas de acreción > 0.1; la tasa de acreción promedio (a la derecha) se define como el área bajo la curva de λ multiplicada por la distribución de probabilidad. Adaptada de la figura 1 del artículo.

Si las galaxias con alta SFR activan un AGN con mayor probabilidad, los autores esperarían  que una mayor fracción de estas galaxias hospedara un AGN. Para investigar esta dependencia, los autores dividieron la muestra de AGN entre las que están formando estrellas (por encima de la secuencia principal) y las inactivas (por debajo de la secuencia principal) basados en sus SFR relativas, y también en agrupaciones en desplazamiento al rojo. La figura 2 muestra qué tanto la fracción de AGN como la tasa de acreción promedio se incrementan como función de la SFR, con las galaxias que forman estrellas representadas con x y las inactivas con círculos.

Figura 2: Fracciones de AGN y tasa de acreción promedio como función de la SFR, tanto para galaxias con actividad de formación estelar (x) como inactivas (o). Cada rango de desplazamiento al rojo coloreado contiene múltiples puntos, correspondientes a diferentes rangos de masas. La línea discontinua indica el mejor ajuste de la relación con la SFR para galaxias con actividad de formación estelar a z < 2.5. Adaptada de la figura 5 del artículo.

Como puede verse en cada una de estas gráficas, la incidencia de AGN en galaxias con formación estelar activa está fuertemente influenciada por la SFR. La correlación para las galaxias con formación estelar se señala con una línea discontinua mostrando el incremento hasta un desplazamiento al rojo de z = 2.5. Sin embargo, las galaxias inactivas tienen valores comparables, si no es que ligeramente incrementados a bajas SFRs y desplazamientos al rojo más altos. Las mismas tendencias pueden verse en las tasas de acreción promedio, aunque con incertidumbres mayores. La SFR claramente incrementa la posibilidad de que un AGN pueda activarse. Mayores SFRs se correlacionan con un incremento en la disponibilidad de gas frío que puede colapsar y formar estrellas; los autores argumentan que este mismo gas frío ayuda con el abastecimiento de combustible intermitente del AGN. Esto no es tan obvio en el caso de las galaxias inactivas: producir fracciones de AGN similares a desplazamientos al rojo más bajos implica que un mecanismo físico diferente, como la pérdida de masa estelar, es necesario para explicar cómo alimentan a sus AGN.

El artículo de hoy ha demostrado el poder de investigar la distribución de las tasas de acreción de los AGN, no solo sus luminosidades, para entender el proceso que podría activar un AGN. Al usar esta aproximación los autores han mostrado que la SFR juega un papel importante para regular la actividad AGN. Esta correlación había sido propuesta previamente, pero ahora vemos que se mantiene para un amplio rango de SFRs y desplazamientos al rojo. Estos resultados pueden usarse para ayudar a las simulaciones con información sobre la naturaleza, evolución y relación entre una galaxia y su agujero negro supermasivo central.

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