Interferometría con JWST y el corazón de la Galaxia de Circinus

Artículo en el que se basa este astrobito: JWST interferometric imaging reveals the dusty disk obscuring the supermassive black hole of the Circinus galaxy

Autoría: Enrique Lopez-Rodriguez, Joel Sanchez-Bermudez, Omaira Gonzalez-Martin, Robert Nikutta, Ryan M. Lau, Deepashri Thatte, Ismael Garcia-Bernete, Julien H. Girard, Matthew J. Hankins.

Institución del primer autor:  Department of Physics & Astronomy, University of South Carolina, Columbia, USA.

Estado de la publicación: Enviado a Nature Communications.

Desde que nos envió sus primeras imágenes y comenzó sus operaciones científicas en 2022, el telescopio espacial James Webb (JWST, por sus siglas en inglés), nos ha revelado detalles sin precedentes del universo, mostrando objetos más lejanos, más extremos, y con mayor detalle que nunca. En el astrobito de hoy te contamos cómo el JWST ha logrado observar con extraordinario detalle el corazón de la galaxia de Circinus (o simplemente Circinus, ver figura 1) gracias a una innovadora técnica de observación, dándonos conocimientos más profundos sobre los procesos que ocurren en las regiones más internas de los núcleos galácticos activos (AGN, por sus siglas en inglés).

Figura 1: Imagen de la parte central de la galaxia de Circinus tomada con el instrumento SuSI del New Technology Telescope (NTT) en 1993. Las estructuras negras son gruesas nubes de polvo. Las nubes moradas son gas expulsado en forma de viento por el núcleo galáctico activo (AGN). Crédito: European Southern Observatory (ESO).

Una técnica innovadora

El equipo de investigación utilizó la interferometría de enmascaramiento de apertura (AMI, por sus siglas en inglés), una sofisticada técnica observacional que permite superar las limitaciones ópticas del telescopio debidas a la difracción. En este modo especial de observación, se colocó una máscara tapando la luz del espejo primario. Esta máscara contiene un patrón específico de aperturas que dejan pasar la luz. Esto transforma efectivamente el telescopio en un interferómetro, donde la luz que pasa por las diferentes aperturas interfiere consigo misma, creando patrones de interferencia que tras ser analizados matemáticamente, dan información sobre detalles mucho más pequeños de lo que podría resolverse normalmente (ver la figura 2). 

Figura 2: Izquierda: Los hexágonos azules corresponden a los segmentos del espejo primario del JWST. Los siete hexágonos amarillos representan las aperturas por las que la máscara AMI deja pasar la luz. Derecha:  Patrón de interferencia producido con esta máscara. Crédito: Adaptado de la figura 4 del artículo.

El corazón de la galaxia de Circinus

Con esta técnica se alcanzó una resolución angular de unos 0.08 segundos de arco, lo que proyectado a la distancia de Circinus, corresponde a una resolución espacial de 2 años luz. El equipo realizó observaciones en tres bandas del infrarrojo medio (3.8, 4.3 y 4.8 micrómetros), combinando posteriormente los datos para crear una imagen detallada del núcleo galáctico.

La galaxia de Circinus es una de las grandes galaxias más cercanas a nosotros (aproximadamente 4 megapársecs, unos 13 millones de años luz), lo que permite estudiarla con mucho detalle. Es bien conocida por albergar en su núcleo un AGN de tipo Seyfert (de luminosidad media tirando a baja). Se espera que alrededor de estos AGN existan grandes estructuras de polvo con forma de disco grueso. Esta estructura (llamada en el modelo unificado de los AGN «toro de polvo», aunque su forma no es necesariamente toroidal), según el ángulo de visión que tengamos de ella, puede llegar a ocultar la luz proveniente del objeto central y alterar las propiedades que medimos de el.

Este objeto o motor central de los AGN no es otra cosa que un agujero negro supermasivo rodeado de un disco de material que cae hacia el (llamado disco de acreción). Este material disipa energía al caer en forma de la potente radiación que observamos proveniente del AGN (Ver figura 3). En muchos casos, como en la propia galaxia de Circinus, esta radiación es capaz de arrancar material del mismo disco que la produce, del toro de polvo y gas cercano para producir potentes vientos galácticos (ver figura 1).

Figura 3: Esquema simplificado del modelo unificado clásico de los AGN. Se ve cómo el toro de polvo grueso rodea al disco de acreción y al agujero negro supermasivo central. En el disco de acreción se produce la mayor parte de la radiación emitida por el AGN (y otros fenómenos como los chorros o jets de partículas relativistas como el mostrado en el dibujo). Si la línea de visión que tenemos del AGN pasa a través del toro de polvo, puede alterar las propiedades de la radiación que nos llega, incluso pudiendo ocultarla. Crédito: Tomada de este astrobito..

Las imágenes del JWST de Circinus revelan una compleja estructura de polvo caliente organizada en varias componentes distintivas (ver figura 4). La más prominente es un disco elongado de aproximadamente 5 pársecs de extensión, cuya temperatura se estima en unos 450 K. Este disco, que contiene la mayor parte de la emisión de radiación detectada, muestra una orientación que difiere de la esperada según modelos simplificados, sugiriendo que podrían estar ocurriendo procesos más complejos.

Figura 4: Imagen en falso color de JWST mostrando el núcleo de la galaxia de Circinus y algunas de las estructuras que se describen en el texto. Crédito: adaptado de la figura 1 del artículo.

El equipo de investigación también reporta la detección de una estructura en forma de arco al norte del núcleo (ver figura 4), compuesta por polvo a altas temperaturas (alrededor de 730 K). Este componente, aunque representa menos del 1% de la emisión total, proporciona evidencias directas de cómo el material es expulsado del núcleo por los vientos generados por la actividad del agujero negro. Estas estructuras coinciden espacialmente con vientos moleculares detectados previamente por el interferómetro milimétrico ALMA,  con los que obviamente están relacionadas (ver figura 5).

Figura 5: Esta comparación muestra cómo las diferentes técnicas observacionales revelan componentes distintas del núcleo. Mientras ALMA detecta el gas molecular frío (fila central), el JWST en modo AMI revela la estructura del polvo caliente (arriba izquierda), demostrando la complementariedad de estas herramientas. También se muestran observaciones con otros instrumentos y telescopios. Los contornos verdes superpuestos corresponden a la imagen de JWST en 4.3 micrómetros. Crédito: figura 2 del artículo. 

Las regiones donde la emisión infrarroja aparece notablemente atenuada (etiquetadas como «agujeros» en la figura 3) constituyen otro hallazgo significativo. Estas zonas coinciden precisamente con la ubicación del disco de gas molecular frío detectado en longitudes de onda submilimétricas, confirmando la presencia de material denso que actúa como una pantalla o escudo para la radiación del núcleo.

El análisis comparativo con modelos teóricos muestra que las estructuras observadas concuerdan mejor con los llamados modelos «clumpy» (grumosos) del toro, donde el material no se distribuye uniformemente sino en forma de nubes discretas. Este resultado tiene importantes implicaciones para nuestra comprensión de la física de los núcleos galácticos activos, sugiriendo que los procesos de acreción y eyección de material podrían ser más complejos de lo considerado hasta ahora.

Este estudio representa un avance en el campo de la astronomía de núcleos galácticos, no solo por sus resultados científicos, sino también por demostrar el potencial de las técnicas interferométricas con el JWST para estudiar otros objetos similares. Los próximos años prometen revelaciones aún más emocionantes a medida que estas técnicas se perfeccionen y se apliquen a una mayor variedad de objetos.