Cuásar FM, tu emisora de radio favorita

Título del artículo original: Gravitational lensing in LoTSS DR2 — Extremely faint 144-MHz radio emission from two highly magnified quasars

Autores: P. McKean. et al.

Institución del primer autor: Instituto astronómico Kapteyn, Universidad de Groningen, Países Bajos

Estado de la publicación: aceptado para publicación en MNRAS Letters, acceso abierto en arXiv.

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¿Sabes qué sonido hacen los patos astrofísicos? Los patos normales hacen “cuack”, pero aquellos que estudian astrofísica hacen “cuack-sar”. ¿Lo pillas? Porque hacen cua…bueno vale, ya lo dejo, mejor vayamos a la ciencia. Pues precisamente de eso hablaremos hoy, de quásares que brillan más que galaxias enteras y de como los observamos. Así que, aunque los chistes no sean buenos, sigue leyendo para ver toda la buena ciencia que tenemos en astrobitos.

Sintonizando…

Aunque no sea tan visualmente espectacular, la radioastronomía se utiliza desde hace décadas para estudiar el universo. Hace ya más de 50 años la comunidad científica descubrió señales de radio esparcidas por el universo, y sorprendentemente al mirar con telescopios ópticos no se detectaba nada. Por esto motivo las llamaron fuentes de radio casi estelares, o por su nombre en inglés, “quasi-stellar radio sources” o “quasars”. Con el paso de los años se fueron descubriendo las contrapartidas ópticas de muchas de estas señales y se pudieron estudiar estos objetos más en profundidad. Los cuásares provienen de agujeros negros super-masivos, con miles de millones de veces la masa del Sol, que se sitúan en el centro de las galaxias y absorben el material circundante. Mientras el material va cayendo al agujero negro se forma un disco de acreción, como el que se ven en la figura 1. El material orbitando se calienta millones de grados, alcanzando temperaturas similares a las de los núcleos de las estrellas, lo que genera grandes cantidades de radiación. Esta radiación es redirigida por el campo magnético de la zona provocando que sea lanzada al espacio en forma de jets que desde la Tierra captamos, por ejemplo, ya sea mediante ondas de radio, rayos X o luz visible. Las enormes cantidades de energía hacen que los cuásares lleguen a sobre pasar el brillo de sus propias galaxias, siendo uno de los objetos más brillantes que se conocen a día de hoy.

Necesitas gafas para “oir” esta emisión

Simulaciones hidrodinámicas predicen que las galaxias elípticas que conocemos hoy día han adquirido gran parte de su masa estelar a través de violentas fusiones con otras galaxias en las primeras épocas del universo. Estas fusiones pueden provocar estallidos de formación estelar, así como empujar gas hacia el agujero negro central de las galaxias, lo que genera un disco de acreción y el eventual crecimiento del agujero negro. Cuando todo el caos ha pasado y el polvo ha sido disipado por diferentes mecanismos de radiación y formación estelar, el cuásar queda visible a la vez que se frena el crecimiento del agujero negro y la formación estelar. Estos modelos de evolución explican la formación estelar oscurecida por el polvo que se encuentra en galaxias con cuásares con un corrimiento al rojo (redshift en inglés) entre 1 y 4, este parámetro es una medida de cuán lejos está un objeto. Pero para probar completamente este modelo es necesario encontrar cuásares a altos redshift, es decir, muy lejanos y con los bajos niveles de formación estelar que se esperan tras la disipación del polvo. Observar cuásares a tan enormes distancias es complicado, por suerte el propio universo nos ayuda gracias a las lentes gravitacionales.

¿No te ha pasado nunca que querías observar un cuásar y se te pone una galaxia de por medio? Pues esto pasa mucho en el universo, pero nos viene bien, por que la galaxia o cualquier objeto que se ponga en medio, puede “doblar” los haces de luz del lejano cuásar haciendo que puedan llegar a nosotros. Y no solo eso, si no que además esto puede hacer que se generen varias imágenes del mismo objeto, como si del ataque de los clones se tratase. Un claro ejemplo de este fenómeno lo encontramos en la famosa Cruz de Einstein, figura 2, donde una galaxia crea 4 “clones” de un cuásar al doblar la luz que este emite.

Cuásar FM, tu emisora de radio favorita

Muchos son los estudios que se dedican a observar tantas zonas del cielo como sea posible para así tener datos de diferentes objetos y fenómenos con los que estudiar el universo. Tal es el caso de LOFAR (por sus siglas en inglés de Low Frequency ARray), una red de sensores de baja frecuencia que se usan en radio astronomía, y que actualmente lleva acabo el proyecto Two Meter Sky Survey(LoTSS, por sus siglas en inglés), cuyo propósito es mapear todo el cielo del hemisferio norte a una frecuencia de 144 MHz. Hasta el momento ha estudiado un total de 66 cuásares de lentes gravitacionales, y en el artículo de hoy veremos los dos objetos/cuásares en los que el efecto de lente ha sido mayor, lo que permite observarlos mejor:

SDSS J1004+4112

Esta detección se trata de un cuásar con una línea ancha en emisión a redshift 1.73, y que está siendo lensado gravitacionalmente por un cúmulo de galaxias que hay a redshift 0.68. Esta lente gravitacional produce un total de hasta 5 imágenes diferentes, las cuales se pueden ver marcadas en la figura 3 con letras de la A a la E. Las imágenes obtenidas con LoTSS muestran una emisión de radio a baja frecuencia para los “clones” A y B, pero no se ha detectado emisión en el resto de clones, aunque se esperaba haberla detectado. Este objeto es la fuente de radio más débil detectada por LOFAR hasta el momento, y bajo la asunción de que toda la emisión en radio es debida a formación estelar, se obtiene un ritmo de formación de 5.5 veces la masa del Sol por año.

SDSS J2222+2745

El segundo caso que veremos hoy se trata de otro cuásar, pero esta vez uno más lejano, a redshift 2.805. De nuevo es un cúmulo quién nos está haciendo de lente, a redshift 0.49, generando un total de 6 clones. A parte del cuásar en la imagen de la figura 3 también podemos ver como un arco ha sido captado por la lente gravitacional, este objeto se sitúa a redshift 2.3 y al estar tan deformado no se sabe bien que tipo de objeto es. Las detecciones en radio de los clones del cuásar son algo más complejas en este caso, se observa una clara emisión asociada a los clones A, B y C, pero también se detecta emisión en el centro del cúmulo que hace de lente, justo donde están los clones D, E y F. Dado el poco brillo que se observa de estos tres últimos clones, lo más seguro que esta emisión en radio se trata realmente de las galaxias del cúmulo, y no de los clones del cuásar. Tampoco se tiene resolución suficiente para saber si hay emisión en radio proveniente del arco que se observa. Suponiendo de nuevo que la emisión en radio se debe completamente a formación estelar, se obtiene un ritmo de formación estelar de 73 masas del Sol por año.

Fin de la retrasmisión

Para los dos objetos estudiados en el artículo hay evidencia de que se tratan de núcleos de galaxias activos, por la emisión de cuásar observada en las imágenes ópticas y en infrarrojos, sin embargo, con la emisión de radio no queda claro si se trata de un núcleo de galaxia activo o es todo debido a formación estelar. En este último caso, cuando toda emisión es por formación estelar, los bajos ritmos de formación estelar calculados indicarían que se tratan de sistemas al final de una fase de estallido de formación estelar. Para ponernos en conexto, el Observatorio espacial Herschel realizó un estudio óptico de 106 cuásares y obtuvo una media de formación estelar de 120 masas del Sol por año, lo que dejaría a nuestros cuásares de hoy muy por debajo de ese nivel. A pesar de que en el caso de hoy con los datos de LOFAR no se puede asegurar la verdadera naturaliza de la emisión en radio, si que se ha demostrado que es posible detectar esta emisión de baja frecuencia de cuásares muy lejanos y que con la ayuda de las lentes gravitacionales es posible realizar estudios de estos objetos en varios rangos del espectro, como puede ser el visible, radio o infrarrojo.