El ‘mapeo del eco’ en galaxias lejanas podría medir vastas distancias cósmicas.

Un disco de material caliente alrededor de un agujero negro supermasivo emite un estallido de luz visible, que viaja a un anillo de polvo que posteriormente emite luz infrarroja. Las flechas azules muestran la luz del disco moviéndose hacia el polvo y la luz de ambos eventos viajando hacia un observador. Crédito: NASA / JPL-Caltech.

La materia que gira alrededor de los agujeros negros supermasivos crea ráfagas de luz que “hacen eco” en las nubes de polvo cercanas. Estas señales viajeras podrían servir como un nuevo criterio cósmico.

Cuando miras hacia el cielo nocturno, ¿cómo sabes si las motas de luz que ves son brillantes y lejanas, o relativamente débiles y cercanas? Una forma de averiguarlo es comparar cuánta luz emite realmente el objeto con lo brillante que parece. La diferencia entre su verdadera luminosidad y su brillo aparente revela la distancia de un objeto al observador.

Medir la luminosidad de un objeto celeste es un desafío, especialmente con los agujeros negros, que no emiten luz. Pero los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el centro de la mayoría de las galaxias brindan una escapatoria: a menudo arrastran mucha materia a su alrededor, formando discos calientes que pueden irradiar de forma brillante. Medir la luminosidad de un disco brillante permitiría a los astrónomos medir la distancia al agujero negro y la galaxia en la que vive. Las mediciones de distancia no solo ayudan a los científicos a crear un mejor mapa tridimensional del Universo, sino que también pueden proporcionar información sobre cómo y cuando se formaron los objetos.

En un nuevo estudio, los astrónomos utilizaron una técnica que algunos han apodado “mapeo del eco” para medir la luminosidad de los discos de agujeros negros en más de 500 galaxias. Publicado el mes pasado en el Astrophysical Journal, el estudio apoya la idea de que este enfoque podría usarse para medir las distancias entre la Tierra y estas galaxias lejanas.

El proceso de mapeo del eco, también conocido como mapeo de reverberación, comienza cuando el disco de plasma caliente (átomos que han perdido sus electrones) cerca del agujero negro se vuelve más brillante, a veces incluso liberando destellos cortos de luz visible (es decir, longitudes de onda que pueden verse por el ojo humano). Esa luz se aleja del disco y finalmente se topa con una característica común de la mayoría de los sistemas de agujeros negros supermasivos: una enorme nube de polvo en forma de rosquilla (también conocida como toro). Juntos, el disco y el toro forman una especie de diana, con el disco de acreción envuelto firmemente alrededor del agujero negro, seguido de anillos consecutivos de plasma y gas ligeramente más fríos, y finalmente el toro de polvo, que constituye el anillo más ancho y externo en la diana. Cuando el destello de luz del disco de acreción alcanza la pared interior del toro polvoriento, la luz se absorbe, lo que hace que el polvo se caliente y libere luz infrarroja. Este brillo del toro es una respuesta directa o, se podría decir, un “eco” de los cambios que ocurren en el disco.

La distancia desde el disco de acreción hasta el interior del toro de polvo puede ser enorme: miles de millones o billones de kilómetros. Incluso la luz, que viaja a 300.000 kilómetros por segundo, puede llevar meses o años cruzarla. Si los astrónomos pueden observar tanto el destello inicial de luz visible en el disco de acreción como el subsiguiente brillo infrarrojo en el toro, también pueden medir el tiempo que tardó la luz en viajar entre esas dos estructuras. Debido a que la luz viaja a una velocidad estándar, esta información también les da a los astrónomos la distancia entre el disco y el toro.

Luego, los científicos pueden usar la medición de distancia para calcular la luminosidad del disco y, en teoría, su distancia a la Tierra. He aquí cómo: la temperatura en la parte del disco más cercana al agujero negro puede alcanzar decenas de miles de grados, tan alta que incluso los átomos se rompen y las partículas de polvo no pueden formarse. El calor del disco también calienta el área que lo rodea, como una hoguera en una noche fría. Al alejarse del agujero negro, la temperatura disminuye gradualmente.

Los astrónomos saben que el polvo se forma cuando la temperatura desciende a unos 1.200 grados Celsius; cuanto más grande es la hoguera (o más energía irradia el disco), más lejos se forma el polvo. Por tanto, medir la distancia entre el disco de acreción y el toro revela la salida de energía del disco, que es directamente proporcional a su luminosidad.

Debido a que la luz puede tardar meses o años en atravesar el espacio entre el disco y el toro, los astrónomos necesitan datos que abarquen décadas. El nuevo estudio se basa en casi dos décadas de observaciones en luz visible de discos de acreción de agujeros negros, capturadas por varios telescopios terrestres. La luz infrarroja emitida por el polvo fue detectada por el Explorador de Levantamiento Infrarrojo de Campo Amplio de Objetos Cercanos a la Tierra (NEOWISE) de la NASA, anteriormente llamado WISE. La nave inspecciona todo el cielo una vez cada seis meses, lo que brinda a los astrónomos oportunidades repetidas de observar galaxias y buscar señales de esos “ecos” de luz. El estudio utilizó 14 seguimientos del cielo por WISE / NEOWISE, recolectados entre 2010 y 2019. En algunas galaxias, la luz tardó más de 10 años en atravesar la distancia entre el disco de acreción y el polvo, lo que los convierte en los ecos más largos jamás medidos en el exterior de la galaxia la Vía Láctea.

Galaxias muy, muy lejanas

La idea de utilizar el mapeo del eco para medir la distancia desde la Tierra a las galaxias lejanas no es nueva, pero el estudio logra avances sustanciales para demostrar su viabilidad. El estudio individual más grande de su tipo, confirma que el mapeo del eco se desarrolla de la misma manera en todas las galaxias, independientemente de variables como el tamaño de un agujero negro, que puede variar significativamente en todo el Universo. Pero la técnica no está lista para su máxima audiencia.

Debido a múltiples factores, las mediciones de distancia de los autores carecen de precisión. En particular, dijeron los autores que necesitan comprender más sobre la estructura de las regiones internas de la rosquilla de polvo que rodea el agujero negro. Esa estructura podría afectar cosas tales como qué longitudes de onda específicas de luz infrarroja emite el polvo cuando la luz lo alcanza por primera vez.

Los datos de WISE no abarcan todo el rango de longitud de onda de infrarrojos y un conjunto de datos más amplio podría mejorar las mediciones de distancia. El telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA, que se lanzará a mediados de la década de 2020, proporcionará observaciones específicas en diferentes rangos de longitud de onda infrarroja. La próxima misión SPHEREx de la agencia (que significa Espectrofotómetro para la Historia del Universo, Epoch of Reionization y Ices Explorer) inspeccionará todo el cielo en múltiples longitudes de onda infrarrojas y también podría ayudar a mejorar la técnica.

“La belleza de la técnica de mapeo del eco es que estos agujeros negros supermasivos no desaparecerán pronto”, dijo Qian Yang, investigador de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y autor principal del estudio, refiriéndose al hecho de que los discos de agujeros negros pueden experimentar llamaradas activas durante miles o incluso millones de años. “Entonces podemos medir los ecos de polvo una y otra vez en el mismo sistema para mejorar la medición de la distancia”.

Las mediciones de distancia basadas en la luminosidad ya se pueden realizar con objetos conocidos como “velas estándar”, que tienen una luminosidad conocida. Un ejemplo es un tipo de estrella en explosión llamada supernova Tipo 1a, que desempeñó un papel fundamental en el descubrimiento de la energía oscura (el nombre que se le da a la misteriosa fuerza impulsora detrás de la expansión acelerada del Universo). Las supernovas de tipo 1a tienen aproximadamente la misma luminosidad, por lo que los astrónomos solo necesitan medir su brillo aparente para calcular su distancia a la Tierra.

Con otras velas estándar, los astrónomos pueden medir una propiedad del objeto para deducir su luminosidad específica. Tal es el caso del mapeo del eco, donde cada disco de acreción es único pero la técnica para medir la luminosidad es la misma. Hay beneficios para los astrónomos de poder usar múltiples velas estándar, como poder comparar las mediciones de distancia para confirmar su precisión, y cada vela estándar tiene fortalezas y debilidades.

“Medir distancias cósmicas es un desafío fundamental en astronomía, por lo que la posibilidad de tener un truco extra bajo la manga es muy emocionante”, dijo Yue Shen, también investigador de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y coautor del artículo. .

Lanzada en 2009, la nave espacial WISE se puso en hibernación en 2011 después de completar su misión principal. En septiembre de 2013, la NASA reactivó la nave espacial con el objetivo principal de buscar objetos cercanos a la Tierra, o NEO, y la misión y la nave espacial pasaron a llamarse NEOWISE. El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California administraba y operaba WISE para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA. La misión fue seleccionada de manera competitiva bajo el Programa de Exploradores de la NASA administrado por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la agencia en Greenbelt, Maryland. NEOWISE es un proyecto de JPL, una división de Caltech, y la Universidad de Arizona, con el apoyo de la Oficina de Coordinación de Defensa Planetaria de la NASA.