Por qué se forman nubes cerca de los agujeros negros.

Una vez que abandonas los majestuosos cielos de la Tierra, la palabra “nube” ya no significa una estructura blanca de aspecto esponjoso que produce lluvia. Por el contrario, las nubes en el Universo mayor son áreas grumosas de mayor densidad que sus alrededores.


Esta ilustración muestra un cuásar, un tipo de núcleo galáctico activo, rodeado por una forma de rosquilla polvorienta (cúmulo) y grupos llamados “nubes”. Estas nubes comienzan siendo pequeñas pero pueden expandirse llegando a tener más de 1 parsec (3,3 años luz) de ancho. En este diagrama, las nubes están al menos a 1 parsec del cúmulo.
Créditos: Ilustración de Nima Abkenar.
 

Los telescopios espaciales han observado estas nubes cósmicas cerca de agujeros negros supermasivos, esos misteriosos objetos densos de los que no puede escapar la luz, con masas equivalentes a más de 100.000 soles. Hay un agujero negro supermasivo en el centro de casi todas las galaxias que es llamado “núcleo galáctico activo” (AGN) si está absorbiendo una gran cantidad de gas y polvo de su entorno. El tipo más brillante de AGN se llama “cuásar”. Si bien el agujero negro en sí no se puede ver, su vecindad se observa extremadamente brillante a medida que la materia se desgarra cerca de su horizonte de sucesos, su punto de no retorno.

Pero los agujeros negros no son realmente como las aspiradoras; no solo absorben todo lo que se acerca demasiado. Si bien parte del material alrededor de un agujero negro caerá directamente, y nunca se volverá a ver, parte del gas cercano se arrojará hacia afuera, creando una capa que se expandirá durante miles de años. Esto se debe a que el área cerca del horizonte de eventos es extremadamente enérgica; La radiación de alta energía de las partículas de rápido movimiento alrededor del agujero negro puede expulsar una cantidad significativa de gas en la inmensidad del espacio.

Los científicos esperarían que este flujo de gas fuera homogéneo. En cambio, es grumoso y se extiende mucho más allá de 1 parsec (3,3 años luz) desde el agujero negro. Cada nube comienza siendo pequeña, pero puede expandirse hasta tener más de 1 par de ancho, e incluso podría cubrir la distancia entre la Tierra y la estrella más cercana más allá del Sol, Proxima Centauri.

El astrofísico Daniel Proga, de la Universidad de Nevada, en Las Vegas, compara estos grupos con grupos de automóviles que esperan en una rampa de la autopista con semáforos diseñados para regular la afluencia de tráfico nuevo. “De vez en cuando tienes un montón de automóviles”, dijo.

¿Qué explica estos grupos en el espacio profundo? Proga y sus colegas tienen un nuevo modelo de ordenador que presenta una posible solución a este misterio, publicado en Astrophysical Journal Letters, dirigido por el estudiante de doctorado Randall Dannen. Los científicos muestran que el calor extremadamente intenso cerca del agujero negro supermasivo puede permitir que el gas fluya hacia afuera muy rápido, pero de una manera que también puede conducir a la formación de grupos. Si el gas se acelera demasiado rápido, no se enfriará lo suficiente como para formar grumos. El modelo de computadora tiene en cuenta estos factores y propone un mecanismo para hacer que el gas viaje lejos, pero también se agrupe.

“Cerca del borde exterior de la carcasa hay una perturbación que hace que la densidad del gas sea un poco más baja de lo que se suponía”, dijo Proga. “Eso hace que este gas se caliente de manera muy eficiente. El gas frío que está más lejos está apartándose por esta razón”.

Este fenómeno es algo así como la flotabilidad que hace mantenerse a los globos aerostáticos. El aire calentado dentro del globo es más liviano que el aire más frío afuera, y esta diferencia de densidad hace que el globo se eleve.

“Este trabajo es importante porque los astrónomos siempre han necesitado colocar nubes en una ubicación y velocidad determinadas para ajustarse a las observaciones que vemos desde AGN”, dijo Dannen. “En primer lugar, no se preocupaban por los detalles de cómo se formaron las nubes inicialmente, y nuestro trabajo ofrece una posible explicación para la formación de estas nubes “.

Este modelo solo mira la capa de gas, no el disco de material que gira alrededor del agujero negro que lo alimenta. El siguiente paso de los investigadores es examinar si el flujo de gas se origina en el propio disco. También están interesados ​​en abordar el misterio de por qué algunas nubes se mueven extremadamente rápido, del orden de 10.000 kilómetros por segundo.

Esta investigación, que aborda un tema importante en la física de los núcleos galácticos activos, fue apoyada con una subvención de la NASA. Los coautores son Dannen, Proga, el académico postdoctoral de UNLV Tim Waters y el ex académico postdoctoral de UNLV Sergei Dyda (ahora en la Universidad de Cambridge).