Los agujeros negros supermasivos alteran la evolución química de las galaxias

Los cuásares son uno de los tipos de objetos más luminosos que podemos observar en el universo. Al igual que otras galaxias activas, presentan en su centro un agujero negro supermasivo, con masas que varían desde millones hasta miles de millones de veces la masa del Sol, rodeado de un disco de gas que lo alimenta. La intensa gravedad del agujero negro genera temperaturas y presiones extremas en el disco de acreción, lo que provoca la emisión de radiación intensa y la aparición de fenómenos extremos como los chorros de partículas relativistas, que viajan a velocidades cercanas a la de la luz, o los vientos cósmicos, flujos de gas y partículas expulsados a miles de kilómetros por segundo desde las regiones internas. Estos vientos son capaces de inyectar grandes cantidades de energía en el resto de la galaxia.

Una investigación liderada por el Centro de Astrobiología (CAB), INTA-CSIC, con la participación del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), el Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sinica (Taiwán) y GRANTECAN, sugiere que estos fenómenos extremos generados por la actividad de los agujeros negros supermasivos podrían ser responsables de alterar la evolución química de toda la galaxia.

Una “taza de té” moldeada por supervientos

El equipo responsable de este estudio realizó un mapa bidimensional de las abundancias relativas de oxígeno y nitrógeno en el gas de la galaxia activa SDSS 1430+1339, descubierta por voluntarios del proyecto de ciencia ciudadana “Galaxy Zoo” y situada a más de mil millones de años luz de la Tierra.

Este cuásar, denominado coloquialmente “Teacup” debido a su peculiar forma que recuerda a una taza de té, se caracteriza por la presencia de una burbuja de gas caliente e ionizado con un diámetro de más de treinta mil años luz que rodea su núcleo activo. Esta burbuja esta asociada con la presencia de un enorme flujo de energía y partículas de alta velocidad causado por la actividad de su agujero negro supermasivo.

Los datos obtenidos demuestran que este flujo, denominado “superviento”, actúa como un potente mecanismo de inyección de energía en toda la galaxia, llegando incluso a afectar a la composición química del gas que contiene.

“Nuestro estudio muestra que la acción de este superviento afecta a la composición química del gas a su paso por la galaxia y que su impacto alcanza distancias enormes”, afirma Montserrat Villar, investigadora del CSIC en el Centro de Astrobiología (CSIC-INTA) y autora principal del trabajo. “Si un fenómeno similar ocurriera en el corazón de nuestra galaxia, el superviento resultante podría contaminar con elementos pesados el gas en un volumen enorme que incluiría el Sistema Solar”, matiza la investigadora del CAB.

El agujero negro motor de evolución química

La variación en las abundancias relativas de oxígeno y nitrógeno observadas a lo largo de la galaxia Teacup puede ser compatible con varios escenarios. En todos ellos, la actividad nuclear asociada al agujero negro supermasivo actúa como el mecanismo responsable final del enriquecimiento químico del gas, incluso a grandes distancias.

Impresión artística de un superviento generado en el entorno de un agujero negro. Imagen: ESO/M. Kornmesser.

No sabemos si el cambio en las abundancias químicas en las regiones externas ha sido causado por el desplazamiento de elementos pesados desde la región central de la galaxia o por otros mecanismos que no implican este arrastre. Otra posibilidad es que este superviento haya inducido la formación de estrellas en zonas muy alejadas del núcleo galáctico, y que estas hayan enriquecido el medio circundante a través de explosiones de supernova. En cualquier caso, este cuásar proporciona evidencia observacional clara de cómo la actividad nuclear puede enriquecer el gas a grandes escalas, es posible que incluso más allá de la propia galaxia”, señala Montserrat Villar.

Sara Cazzoli, investigadora del Instituto de Astrofísica de Andalucía y coautora del estudio, añade: “Entender cómo los agujeros negros supermasivos regulan la evolución de las galaxias es uno de los temas más candentes en la astrofísica actual. El interés de nuestro estudio radica en que proporciona evidencia directa de su impacto en la evolución química de la galaxia”.

Desde el desierto de Atacama

El equipo autor del estudio utilizó datos de espectroscopía de campo integral obtenidos con el instrumento MUSE del Very Large Telescope (VLT), un conjunto de cuatro telescopios de 8.2 metros de diámetro situados en las instalaciones del European Southern Observatory (ESO) en el desierto chileno de Atacama.

Very Large Telescope (VLT). Imagen: ESO

La calidad del cielo en esa ubicación y la sensibilidad del instrumento hacen de VLT-MUSE una infraestructura tecnológica excelente, que ha permitido detectar y estudiar con gran detalle el tenue gas ionizado que envuelve galaxias activas tan distantes como Teacup.

El análisis de la abundancia relativa y la distribución de elementos pesados en el gas de las galaxias ayuda a reconstruir la historia de su evolución química, un aspecto crucial en la formación estelar y planetaria.

“Este estudio es solo el principio, ya que puede extenderse a muchas otras galaxias. Contamos con las herramientas teóricas y los datos necesarios para investigar si fenómenos similares han ocurrido en diferentes épocas de la historia cósmica”, concluye Montserrat Villar.