Cómo las galaxias silenciosas se mantienen en silencio: el gas frío alimenta los agujeros negros en los géiseres rojos

Fuente University of Santa Cruz

Un nuevo artículo dirigido por un estudiante de pregrado de la UC Santa Cruz sugiere que las galaxias que llevan mucho tiempo inactivas y que se consideran muertas podrían, en realidad, verse afectadas por la dinámica de los agujeros negros supermasivos en su centro.

Los astrónomos se han preguntado durante mucho tiempo cómo algunas galaxias masivas dejan de formar estrellas y permanecen inactivas durante miles de millones de años, incluso cuando aún contienen gas que, en principio, podría alimentar nuevas estrellas. Un nuevo estudio de una clase poco común de galaxias conocidas como «géiseres rojos» ofrece una nueva perspectiva sobre cómo estos sistemas se regulan a sí mismos, revelando que flujos lentos y organizados de gas frío podrían estar alimentando agujeros negros supermasivos centrales y manteniendo la suave retroalimentación que frena la formación estelar.

Los géiseres rojos representan solo entre el 6 y el 8 por ciento de las galaxias inactivas cercanas, pero han atraído una creciente atención debido a sus inusuales firmas. Identificadas por primera vez en datos del proyecto Mapping Near Galaxies at Apache Point Observatory (SDSS-IV MaNGA) del Sloan Digital Sky Survey, estas galaxias muestran tenues y extensas salidas de gas ionizado que se extienden decenas de miles de años luz. “Se cree que estos vientos a escala galáctica son señales de la actividad de un agujero negro supermasivo en el centro”, afirmó Arian Moghni, estudiante de tercer año de astrofísica en la Universidad de California, Santa Cruz. “El enigma reside en cómo estos agujeros negros obtienen su combustible. Estudios previos habían mostrado señales de gases entrantes, pero no se comprendían bien el origen de estos gases ni su conexión con el agujero negro supermasivo”.

Moghni es el autor principal del estudio, que se encuentra en revisión en The Astrophysical Journal y se presentó el 8 de enero en la reunión anual de la Sociedad Astronómica Americana en Phoenix.

Para investigarlo, Moghni y sus coautores examinaron cómo se mueve el gas frío y neutro dentro de 140 galaxias géiser rojas observadas por el sondeo MaNGA, que utiliza mediciones espectroscópicas detalladas para mapear los movimientos en galaxias enteras. El equipo se centró en una característica espectral conocida como línea de absorción de sodio D (Na I D), un trazador fiable de gas relativamente frío a temperaturas de aproximadamente 100 a 1000 kelvin.

Al modelar estas líneas espectrales en cada galaxia, los investigadores midieron tanto la velocidad como el grado de movimiento aleatorio del gas frío. En lugar de entrar y salir, como en las estructuras de disco, el equipo descubrió que la mayoría de estos gases se desplazan lentamente hacia el centro de la galaxia a unos 47 kilómetros por segundo, en consonancia con estudios anteriores. Sorprendentemente, este movimiento hacia adentro es mucho más lento de lo esperado: el gas se mueve a solo un 10 % de la velocidad que alcanzaría si cayera libremente bajo la influencia de la gravedad. El gas también parece moverse de una forma inusualmente ordenada. Sus movimientos aleatorios son mucho más débiles que los de las estrellas circundantes, lo que indica que el gas frío fluye de forma coherente en lugar de estar fuertemente agitado o perturbado.

El estudio también descubrió una clara conexión entre la entrada de gas y la actividad de los agujeros negros. Alrededor del 30 % de las galaxias de la muestra se detectan en longitudes de onda de radio, lo que indica la actividad continua de sus agujeros negros supermasivos centrales. En estos sistemas detectados en radio, hay una entrada de gas frío significativamente mayor (aproximadamente un tercio mayor en el área proyectada) que en géiseres rojos sin emisión de radio.

«Es realmente emocionante ver cuán estrechamente está relacionada la entrada de gas frío con la actividad de los agujeros negros supermasivos», afirmó Moghni. Este gas parece canalizarse hacia el centro de la galaxia, donde puede ayudar a alimentar y mantener la actividad del agujero negro.

Las diferencias son aún más drásticas cuando se consideran los entornos de las galaxias. Los géiseres rojos que muestran signos de interacción con galaxias compañeras cercanas o evidencia de fusiones menores en el pasado albergan reservas mucho mayores de gas entrante que los sistemas aislados. En las galaxias en interacción, el área cubierta por el gas frío entrante es, en promedio, unas 2,5 veces mayor que en los géiseres rojos que parecen estar solos. Este hallazgo apunta a las interacciones galácticas como un mecanismo clave para reponer el suministro de gas.

“Las fusiones e interacciones menores son un proceso de reabastecimiento eficiente”, afirmó Moghni. “Entregan gas frío que ingresa y alimenta el agujero negro, lo que les permite continuar suprimiendo la formación estelar durante largos periodos de tiempo”.

En conjunto, los resultados respaldan un modelo cíclico de cómo los géiseres rojos, y quizás otras galaxias inactivas, mantienen su estado latente. El gas, impulsado hacia el interior por interacciones y procesos internos, se asienta hacia el centro galáctico, donde impulsa la actividad de agujeros negros de bajo nivel. Esta actividad genera una retroalimentación capaz de suprimir la formación de nuevas estrellas. Con el tiempo, este ciclo permite que las galaxias masivas permanezcan en gran medida inactivas, incluso si las materias primas están disponibles.

Al rastrear directamente el movimiento del gas frío a través de galaxias enteras, el estudio proporciona evidencia observacional poco común de este delicado equilibrio en acción. También destaca el valor de los estudios a gran escala con resolución espacial como SDSS-IV MaNGA, que permiten a los astrónomos conectar la actividad de los agujeros negros, la dinámica de los gases y los entornos galácticos con un detalle sin precedentes.

Los coautores de Moghni incluyen a Kevin Bundy, profesor asociado de astronomía y astrofísica en la UC Santa Cruz; Kyle Westfall, científico asociado del proyecto en el Observatorio Lick; e investigadores universitarios de Johns Hopkins, Arizona State, San Diego State y UC San Diego.