El Telescopio James Webb de la NASA estudiará el agujero negro supermasivo de Centaurus A

Los investigadores que utilizarán el próximo telescopio espacial James Webb de la NASA mapearán y modelarán el núcleo de la galaxia Centaurus A.

Centaurus A es una galaxia gigante, pero sus apariciones en las observaciones de telescopios pueden ser engañosas. Las líneas oscuras de polvo y los cúmulos azules de estrellas jóvenes, que se entrecruzan en su región central, son evidentes en luz ultravioleta, visible e infrarroja cercana, pintando un paisaje bastante tenue. Pero al cambiar a las observaciones a rayos X y luz de radio, comienza a desarrollarse una escena mucho más estridente: desde el núcleo de la deformada galaxia elíptica, surgen espectaculares chorros de material de su activo agujero negro supermasivo, enviando material al espacio mucho más allá de los límites de la galaxia.

Centaurus A luce un disco central deformado de gas y polvo, que es el resultado de una colisión en el pasado y una fusión con otra galaxia. También tiene un núcleo galáctico activo que emite chorros periódicamente. Es la quinta galaxia más brillante del cielo y está a solo unos 13 millones de años luz de distancia de la Tierra, lo que la convierte en un objetivo ideal para estudiar un núcleo galáctico activo, un agujero negro supermasivo que emite chorros y vientos, con el próximo telescopio espacial James Webb de la NASA.
Créditos: Rayos X: NASA / CXC / SAO; óptico: Rolf Olsen; infrarrojos: NASA / JPL-Caltech; radio: NRAO / AUI / NSF / Univ.Hertfordshire / M.Hardcastle.

¿Qué está sucediendo en su núcleo para causar toda esta actividad? Las próximas observaciones dirigidas por Nora Lützgendorf y Macarena García Marín de la Agencia Espacial Europea utilizando el telescopio espacial James Webb de la NASA, permitirán a los investigadores mirar a través de su núcleo polvoriento, por primera vez en alta resolución, para comenzar a responder estas preguntas.

“Están sucediendo muchas cosas en Centaurus A”, explica Lützgendorf. “El gas, el disco y las estrellas de la galaxia se mueven bajo la influencia de su agujero negro supermasivo central. Dado que la galaxia está tan cerca de nosotros, podremos usar Webb para crear mapas bidimensionales para ver cómo el gas y las estrellas se mueven en su región central, cómo son influenciadas por los chorros de su núcleo galáctico activo y, en última instancia, cómo caracterizan la masa de su agujero negro “.

El núcleo polvoriento de Centaurus A es detectable en luz visible, pero sus chorros se ven mejor con rayos X y luz de radio. Con las próximas observaciones del telescopio espacial James Webb de la NASA en luz infrarroja, los investigadores esperan identificar mejor la masa del agujero negro supermasivo central de la galaxia, así como evidencia que muestre dónde fueron expulsados ​​los chorros.
Créditos: Rayos X: NASA / CXC / SAO; óptico: Rolf Olsen; infrarrojos: NASA / JPL-Caltech; radio: NRAO / AUI / NSF / Univ.Hertfordshire / M.Hardcastle.
Una mirada rápida hacia atrás

Presionemos “rebobinar” para revisar un poco de lo que ya se sabe sobre Centaurus A. Está bien estudiada porque está relativamente cerca, a unos 13 millones de años luz de distancia, lo que significa que podemos observar claramente la galaxia completa. El primer registro se dató a mediados del siglo XIX, pero los astrónomos perdieron el interés hasta la década de 1950, ya que la galaxia parecía ser una galaxia elíptica tranquila, aunque deformada. Una vez que los investigadores pudieron comenzar a observar con radiotelescopios en las décadas de 1940 y 1950, Centaurus A se volvió radicalmente más interesante cuando sus chorros aparecieron a la vista. En 1954, los investigadores concluyeron que Centaurus A es el resultado de dos galaxias que se fusionaron, lo que luego se estimó que ocurrió hace 100 millones de años.

Con más observaciones a principios de la década de 2000, los investigadores valoraron que hace unos 10 millones de años, su núcleo galáctico activo lanzó chorros gemelos en direcciones opuestas (jets). Cuando se examina a través del espectro electromagnético, desde los rayos X hasta la luz de radio, la información revela que hay mucho más en esta historia que todavía tenemos que aprender.

“Los estudios de múltiples longitudes de onda de cualquier galaxia son como las capas de una cebolla. Cada longitud de onda muestra algo diferente”, dijo Marín. “Con los instrumentos de infrarrojo cercano y medio de Webb, veremos gas y polvo mucho más fríos que en observaciones anteriores, y aprenderemos mucho más sobre el medio ambiente existente en el centro de la galaxia”.


Los agujeros negros supermasivos, que se encuentran en el centro de las galaxias, son voraces. Periódicamente absorven material de los discos giratorios de gas y polvo que los orbitan, lo que puede resultar en flujos masivos que afectan la formación de estrellas localmente y a mayores distancias. Cuando el telescopio espacial James Webb de la NASA comience a observar los núcleos de las galaxias, sus instrumentos infrarrojos atravesarán el polvo para obtener imágenes y datos de increíble alta resolución, que permitirán a los investigadores aprender con precisión cómo un proceso desencadena otro y cómo se crea un enorme circuito de retroalimentación. .
Créditos: NASA, ESA y L. Hustak (STScI).
Visualización de datos con Webb

El equipo dirigido por Lützgendorf y Marín observará Centaurus A no solo tomando imágenes con Webb, sino recopilando datos conocidos como espectros, que esparcen la luz en sus longitudes de onda componentes como un arco iris. Los espectros de Webb revelarán información de alta resolución sobre las temperaturas, velocidades y composiciones del material en el centro de la galaxia.

En particular, el espectrógrafo de infrarrojo cercano de Webb (NIRSpec y Mid-Infrared Instrument (MIRI) proporcionará al equipo de investigación una combinación de datos: una imagen y un espectro dentro de cada píxel de esa imagen. Esto permitirá a los investigadores construir intrincados mapas en 2D de los espectros, que les ayudarán a identificar lo que está sucediendo detrás del velo de polvo en el centro y analizarlo desde muchos ángulos en profundidad.

Comparemos este estilo de modelado con el análisis de un jardín. De la misma manera que los botánicos clasifican las plantas basándose en conjuntos específicos de características, estos investigadores clasificarán los espectros del MIRI de Webb para construir “jardines” o modelos. “Si tomas una instantánea de un jardín desde una gran distancia”, explicó Marín, “verás algo verde, pero con Webb, podremos ver hojas y flores individuales, sus tallos y tal vez el suelo. “

A medida que el equipo de investigación profundice en los espectros, construirán mapas de zonas individuales del jardín, comparando un espectro con otro espectro cercano. Esto es análogo a determinar qué partes contienen qué especies de plantas basándose en comparaciones de “tallos”, “hojas” y “flores” .

“Cuando se trata de análisis espectral, realizamos muchas comparaciones”, continuó Marín. “Si comparo dos espectros en esta región, tal vez encuentre que lo que se observa contiene una población prominente de estrellas jóvenes. O confirme qué áreas son polvorientas y calientes. O tal vez identificaremos emisiones provenientes del núcleo galáctico activo”.

En otras palabras, el “ecosistema” de espectros tiene muchos niveles, lo que permitirá al equipo definir con precisión qué está presente y dónde está, lo que será posible gracias a los instrumentos infrarrojos especializados de Webb. Y, dado que estos estudios se basarán en muchos de los anteriores, los investigadores podrán confirmar, perfeccionar o abrir nuevos caminos mediante la identificación de nuevas características.

Observa cómo los chorros y vientos de un agujero negro supermasivo afectan a su galaxia anfitriona y al espacio a cientos de miles de años luz de distancia durante millones de años.
Créditos: NASA, ESA y L. Hustak (STScI).
Pesando el agujero negro en Centaurus A

La combinación de imágenes y espectros proporcionados por NIRSpec y MIRI permitirá al equipo crear mapas de muy alta resolución de las velocidades del gas y las estrellas en el centro de Centaurus A. “Planeamos usar estos mapas para modelar cómo todo el disco en el centro de la galaxia se mueve para determinar con mayor precisión la masa del agujero negro “, explica Lützgendorf.

Dado que los investigadores comprenden cómo la gravedad de un agujero negro gobierna la rotación de un gas cercano, pueden usar los datos de Webb para pesar el agujero negro en Centaurus A. Con un conjunto más completo de datos infrarrojos, también determinarán si diferentes partes de todos los gases se comportan según lo previsto. “Estoy ansioso por completar nuestros datos”, dijo Lützgendorf. “Espero ver cómo se comporta y gira el gas ionizado, y dónde veremos los chorros”.

Los investigadores también esperan abrir nuevos caminos. “Es posible que encontremos cosas que aún no hemos considerado”, explica Lützgendorf. “En algunos aspectos, cubriremos un territorio completamente nuevo con Webb”. Marín está totalmente de acuerdo y agrega que aprovechar una gran cantidad de datos existentes es invaluable. “Los aspectos más interesantes de estas observaciones es el potencial de nuevos descubrimientos”, dijo. “Creo que podríamos encontrar algo que nos haga mirar hacia atrás a otros datos y reinterpretar lo que se vio antes”.

Estos estudios de Centaurus A se realizarán como parte de los programas conjuntos de observaciones de tiempo garantizado MIRI y NIRSpec de Gillian Wright y Pierre Ferruit. Todos los datos de Webb finalmente se almacenarán en el Archivo Barbara A. Mikulski para Telescopios Espaciales (MAST) de acceso público en el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore.

El telescopio espacial James Webb será el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo cuando se lance en 2021. Webb resolverá misterios en nuestro sistema solar, verá más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar. en eso. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.