Un núcleo activo poco común en el amanecer cósmico

Título del artículo técnico: The First Gamma-ray Emitting BL Lacertae Object at the Cosmic Dawn

Autores: Vaidehi S. Paliya, A. Domínguez, C. Cabello, N. Cardiel, J. Gallego, B. Siana, M. Ajello, D. Hartmann, A. Gil de Paz, C. S. Stalin

Institución del primer autor: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY, Alemania.

Estado: Publicado en The Astrophysical Journal Letters.

Los núcleos galácticos activos (AGN, por sus siglas en inglés) pueden llegar a producir más energía que todas las estrellas de una galaxia entera y al mismo tiempo ser detectados a miles de millones de años luz de distancia. Los autores del artículo de hoy han encontrado un objeto BL Lac (un tipo especial y escaso de núcleo galáctico activo) a más de veintidós mil millones de años luz, cuando el universo tenía menos de dos mil millones de años de edad.

Agujeros negros supermasivos y física extrema

Como todo núcleo galáctico activo, la fuente de energía de los objetos BL Lac es la acreción de materia que cae hacia un agujero negro supermasivo. Esta materia cae en espiral formando un disco de acreción mientras pierde energía potencial gravitatoria. La energía calienta el disco hasta decenas de miles de Kelvin, y es emitida en forma de radiación. Esto puede tener como consecuencia la producción de potentes vientos o de chorros estrechos de partículas de muy alta energía que pueden alcanzar grandes distancias.

Toda esta energía ioniza y excita los átomos del gas que rodea al agujero negro, produciendo las características líneas de emisión en los espectros, lo que nos ayuda a confirmar la presencia de núcleos galácticos activos. La forma de estas líneas de emisión depende principalmente del ángulo en que estamos viendo al núcleo galáctico activo, según lo describe el modelo unificado de AGN (ver figura 1).

Los blazares son un tipo especial de AGN en los que nuestra línea de visión pasa directamente a través del chorro de partículas de alta energía. Estas partículas, con carga eléctrica que viajan a velocidades cercanas a la de la luz, producen emisiones de radiación muy características que se ven en los espectros como un continuo muy plano (es decir sin líneas de emisión) además de emitir con mucha potencia en radiación de alta energía como rayos X y rayos gamma.

La mayor parte de los blazares que conocemos son del tipo FSRQ (cuásares de espectro plano y emisores en radio, por sus siglas en inglés). Estos producen enormes cantidades de energía, y como su nombre indica, tienen el continuo de su espectro plano y la emisión de radio característicos de los chorros de partículas relativistas. Al mismo tiempo los FSRQ muestran líneas de emisión anchas en sus espectros. Sin embargo es necesario detectar emisión de rayos gamma para confirmar que realmente estamos viendo el chorro en la línea de visión.

Otro tipo de blazares, más escaso, es el de los mencionados objetos BL Lac (las clasificaciones son complicadas hasta para los mismos astrónomos). Suelen ser menos potentes que los FSRQ y sus espectros tienen líneas de emisión muy débiles o incluso totalmente ausentes, siendo dominados por el continuo de la radiación del chorro de partículas en la línea de visión. Esto puede explicarse de dos formas: o la emisión del chorro es tan potente que oculta a las líneas, o el disco de acreción no es eficiente produciendo radiación ionizante, de forma que no logra afectar lo suficiente al gas de sus alrededores como para que produzca lineas de emisión detectables.

BL Lac en el universo temprano

Los AGN tienen una gran importancia en la evolución de las galaxias, afectando el ritmo en que estas reciben gas del medio intergaláctico y la velocidad a la que pueden formar estrellas (retroalimentación). Se cree que la mayoría de las galaxias llegan a pasar por una o más fases AGN a lo largo de sus vidas. Conocer cuántos AGN habían en diferentes etapas del universo nos ayuda a comprobar y mejorar nuestros modelos de evolución de las galaxias.

Sabemos que la mayor parte de la actividad de AGN se dio entre desplazamientos al rojo z = 2 y z = 3, es decir, cuando el universo tenía solo unos dos mil millones de años de edad. Para medir el desplazamiento al rojo (y por tanto la distancia) de una galaxia o un AGN es necesario tener líneas espectrales (sean de absorción o de emisión). Esto es un problema en los objetos BL Lac en los que las líneas son muy débiles o están completamente ausentes. Hasta ahora, en el catálogo 4LAT de fuentes de rayos gamma, para z > 2, habían ochenta y siete FSRQ confirmados en comparación con solamente tres BL Lac. A z > 3 solamente se reportan nueve FSRQ y ningún BL Lac . Sin embargo se cree que debe haber más fuentes no identificadas que contribuyen a la radiación cósmica de fondo de rayos gamma.

Los autores investigaron un objeto con emisión tanto en radio como en rayos gamma, previamente clasificado como un blazar de tipo desconocido. El objeto 4FGL J1219.0+3653 (J1219 para abreviar) no contiene líneas de emisión ni de absorción propias en su espectro, lo que lo convertía en candidato a ser un BL Lac. Sin embargo, los espectros ópticos del Sloan Digital Sky Survey (SDSS) muestran líneas de absorción producidas por gas que no pertenece al objeto. Este gas está ubicado en la línea de visión entre el blazar y nosotros, por lo que estas líneas de absorción (que forman el llamado bosque de Lyman alfa) ayudan a obtener una estimación indirecta de la distancia a J1219. Esto sugería que el objeto debe encontrarse a un desplazamiento al rojo muy grande, aunque la baja resolución de los espectros de SDSS no permitía saber mucho más.

Nuevas observaciones

Los autores observaron nuevos espectros del objeto J1219 usando el Gran Telescopio Canarias (GTC), el mayor telescopio óptico-infrarrojo del mundo por área colectora de luz (10.4 metros de diámetro), en la isla de La Palma, España. Tomaron un espectro óptico usando el instrumento OSIRIS (Optical System for Imaging and low-Itermediate-Resolution Integrated Spectroscopy) y un espectro infrarrojo usando el instrumento EMIR (Espectrógrafo Multiobjeto Infra-Rojo). Ambos espectros tienen una calidad mayor que la obtenida por SDSS (ver figuras 2 y 3).

Comprobaron que no hay lineas de emisión en los espectros, por lo que efectivamente es un BL Lac. Sin embargo, lo más importante es que por medio del bosque de Lyman alfa encontraron que la fuente tiene un desplazamiento al rojo entre 3.5 y 3.6. ¡Se trata de la primera fuente BL Lac con rayos gamma conocida a z > 3!

Además comprobaron que entre el 2011 (cuando se tomó el espectro de SDSS) y sus observaciones del 2020, el flujo de radiación del continuo descendió apreciablemente (es decir, la emisión del chorro de partículas relativistas se debilitó). Aun así no aparecieron lineas de emisión. Esto confirma que la ausencia de líneas es debida a un proceso de acreción ineficiente que no es capaz de producirlas, y no a que la radiación del chorro las opaque.

En cuanto a la evolución cosmológica de los AGN, la densidad de objetos BL Lac se había podido medir solo hasta z = 2.5: un BL Lac por cada 100 Gpc³ (giga parsecs cúbicos). Extrapolando esto a z = 3.5, deberían encontrarse uno por cada 1000 Gpc³. Esto significa que, según nuestro conocimiento actual, no se espera encontrar más de uno o dos BL Lacs por encima de z = 3. Ahora sabemos que J1219 es uno de ellos. Los autores remarcan que si se encuentran más objetos similares, nuestro entendimiento de la evolución cósmica de los AGN estará enfrentando importantes desafíos.