Núcleos galácticos activos. Las poderosas fuentes energéticas de ciertas galaxias
Los centros de algunas galaxias se encuentran activos emitiendo cantidades enormes de radiación. Sus interacciones con el resto de la galaxia aun continúan siendo un misterio.
Como todos sabemos, las galaxias son vastas estructuras que consisten, entre otras cosas, en estrellas, polvo cósmico, gas, planetas, materia oscura… Se ha estimado que hay más de 100.000.000.000 galaxias en el universo. Entre todas ellas existen unas que se agrupan bajo el término de galaxias activas y constituyen una categoría peculiar y particularmente interesante de galaxias debido a los fenómenos extremos que tienen lugar en sus centros, llamados núcleos activos de galaxias o AGN.
Mientras que en las galaxias normales la energía total emitida es la suma de la emisión proveniente de cada una de las estrellas de la galaxia, en las galaxias activas las cosas son diferentes. En casi todos los casos la radiación emitida desde el centro de un AGN es tan fuerte que puede exceder la radiación total de las estrellas contenidas en toda la galaxia. En general, los AGN se caracterizan por un alto brillo, espectros no térmicos (distintos a los de las estrellas), variabilidad rápida, líneas de emisión fuertes y, en casos más raros, chorros de emisión radio.
Los primeros estudios relevantes se empezaron a realizar hace más de 70 años, lo que llevó a clasificar los AGN en función de sus características. Específicamente, hay tres clases básicas de AGN: galaxias Seyfert, radiogalaxias y cuásares. En 1943, el astrónomo estadounidense Carl Keenan Seyfert fue el primero en darse cuenta de que existía un tipo de galaxia que su núcleo era extremadamente brillante. En particular Seyfert descubrió seis: NGC 1068, NGC 1275, NGC 3516, NGC 4051, NGC 4151 y NGC 7469 (la abreviatura NGC se refiere al Nuevo Catálogo General de Nebulosas y Cúmulos de Estrellas, una compilación de objetos del cielo profundo realizada por John L. E. Dreyer en 1888). De hecho, NGC 1068 (una galaxia más conocida como M77, un nombre que representa el número de orden que le asignó el francés Charles Messier en su famoso catálogo del siglo XVIII) fue la primera que Seyfert etiquetó como «activa».
Seyfert, radiogalaxias y cuásares
Desde entonces se llaman galaxias Seyfert a las que tienen características similares a las de M77. Aproximadamente, una década más tarde se registró una nueva clase de AGN, las radiogalaxias. En 1954, los astrónomos Wilhelm Heinrich Walter Baade y Herman Minkowski publicaron un estudio sobre fuentes de ondas de radio que reveló esta nueva categoría. Como su nombre indica, estos AGN se caracterizan por una intensa radiación en ondas de radio. La tercera y última categoría elemental de AGN son los cuásares, los objetos más brillantes del universo, y que se describen ampliamente en otro artículo de esta revista.
Explosiones de supernovas
Una gran cantidad de categorías y subcategorías de AGN se crearon en los años siguientes con el afán de crear una taxonomía detallada de las galaxias activas. En primer lugar, dependiendo de la intensidad de la fuente en las ondas de radio se puede llamar radio-quiet (RQ) o radio-loud (RL). En la categoría de galaxias RQ se encuentran las Seyfert y los cuásares.
La principal diferencia entre estas dos es que en las Seyfert la radiación emitida desde el centro de la galaxia es comparable a la de la radiación total emitida por las estrellas de la galaxia; mientras que en el caso de los cuásares, la radiación del núcleo supera con creces la radiación total de las estrellas. Además, hay varios casos de galaxias Seyfert que son imposibles de detectar con telescopios ópticos, ya que son muy débiles en estas longitudes de onda. Los cuásares, por otro lado, irradian de forma particularmente intensa en el espectro visible y en otras longitudes de onda. A la categoría de galaxias RL pertenecen las radiogalaxias y los blazars, cuyo rasgo característico es que los chorros de materia que expulsan apuntan directamente hacia la Tierra.
Explosiones de supernovas
Una gran cantidad de categorías y subcategorías de AGN se crearon en los años siguientes con el afán de crear una taxonomía detallada de las galaxias activas. En primer lugar, dependiendo de la intensidad de la fuente en las ondas de radio se puede llamar radio-quiet (RQ) o radio-loud (RL). En la categoría de galaxias RQ se encuentran las Seyfert y los cuásares.
La principal diferencia entre estas dos es que en las Seyfert la radiación emitida desde el centro de la galaxia es comparable a la de la radiación total emitida por las estrellas de la galaxia; mientras que en el caso de los cuásares, la radiación del núcleo supera con creces la radiación total de las estrellas. Además, hay varios casos de galaxias Seyfert que son imposibles de detectar con telescopios ópticos, ya que son muy débiles en estas longitudes de onda. Los cuásares, por otro lado, irradian de forma particularmente intensa en el espectro visible y en otras longitudes de onda. A la categoría de galaxias RL pertenecen las radiogalaxias y los blazars, cuyo rasgo característico es que los chorros de materia que expulsan apuntan directamente hacia la Tierra.
En este punto es importante dejar claro que la misma fuente de luz puede ser tenue en el espectro visible, pero muy brillante en otras longitudes de onda. Por tanto, las fuentes astronómicas que no vemos con telescopios ópticos pueden ser particularmente brillantes en otras longitudes de onda, como los rayos X. Por otro lado, debido a la enorme distancia de la Tierra y a los fenómenos extremos que tienen lugar en la vecindad del agujero negro de gran tamaño es muy difícil sacar conclusiones directas sobre las condiciones que prevalecen en el AGN: la única prueba de su existencia fue y sigue siendo la energía extremadamente grande emitida por los centros de las galaxias en forma de intensa radiación electromagnética. Cuantitativamente, la potencia de un AGN muy luminoso puede alcanzar 100.000 sixtillones de vatios o lo que es lo mismo, mil billones de veces la luminosidad de nuestro Sol.
Desde el comienzo del estudio de los AGN, los astrónomos ha desarrollado varios modelos con los que intentan explicar sus características y responder a preguntas tan básicas como puede ser la de su origen. Una de las primeras explicaciones propuestas fue que esa intensa emisión se debía a explosiones de supernovas. También hubo otras teorías similares que atribuían la radiación a una intensa actividad de naturaleza estelar. Sin embargo, y como se evidenció más tarde, las cantidades de energía emitidas eran tan altas que resultaba imposible que tuvieran un origen estelar. En la actualidad se piensa que la intensa radiación es el resultado de la acumulación de materia (principalmente gas) en un disco alrededor de un agujero negro (que recibe el nombre de disco de acreción). ¿Cómo y por qué sucede esto?
Sabemos que en el centro de casi todas las galaxias -como en la nuestra- encontramos un agujero negro supermasivo. Así, al igual que la chimenea permanece encendida siempre que la alimentemos con madera, el agujero negro permanecerá «activo» mientras haya material disponible a su alrededor (en forma de materia interestelar) para nutrirlo. A medida que «consume» el material que lo rodea, el agujero negro crece y reúne a su alrededor más y más gas y polvo, creando un disco de acreción. Como el agujero negro no emite radiación, sino todo lo contrario, solo absorbe, este disco delata su existencia. De este modo hemos podido saber que los agujeros negros supermasivos (SMBH, acrónimo de su nombre en inglés) que se encuentran en el centro de las galaxias tienen masas de alrededor de un millón de veces la del Sol.
Debemos comprender que las condiciones que dominan el entorno de un AGN son extraordinarias para los seres humanos. Esto se debe a que la realidad que una persona experimenta todos los días desde el momento de su nacimiento no tiene absolutamente nada que ver con la realidad extragaláctica. Las palabras «grande», «pequeño», «cerca», «distante», «rápido», «lento», «caliente» o «frío» tienen un significado diferente cuando las usamos para describir fenómenos extragalácticos.
Un ejemplo sencillo son los estados de la materia que conocemos por nuestra vida cotidiana: sólido, líquido y gaseoso. Pues bien, en las condiciones extremas de los AGN el estado de la materia que encontramos es, en gran medida, plasma. En nuestra vida cotidiana, una habitación con una temperatura de 30 grados centígrados se caracteriza por ser «cálida», y sin embargo un plasma con una temperatura de 10.000 °C se le considera «frío» («caliente» si supera el millón de grados). Como el disco de acreción emite principalmente en el visible y el ultravioleta, eso quiere decir que su temperatura oscila entre 9.800 °C y 9.970 °C. A modo de comparación, la temperatura promedio en la superficie del Sol es aproximadamente 5.500 °C.
eROSITA y ATHENA
Fijémonos en las galaxias Seyfert. Según el modelo más extendido, su estructura es como sigue. Sus partes principales son el motor central y una estructura de polvo, llamada toro, que lo rodea. El motor central es, obviamente, el superagujero negro, al que le acompaña un disco de acreción. Por encima de él hay una corona de electrones calientes: esta es la región donde se producen los rayos X más energéticos. Para un agujero negro con una masa de cien millones de masas solares, su tamaño -definido por una cantidad que se conoce como el radio de Schwarzschild- es de 300 millones de kilómetros.
A pesar del esfuerzo observacional desarrollado a lo largo del último medio siglo, todavía nos quedan muchas preguntas sin respuesta. Una de ellas es la coexistencia del AGN con la galaxia que lo acoge. A pesar de la diferencia de tamaño entre el agujero negro y la galaxia, varios estudios apuntan a que efectivamente hay una interacción entre el desarrollo del agujero negro y la evolución de la galaxia anfitriona. Sin embargo, no está claro ni el grado de esta correlación ni si afecta a todos los AGN independientemente de la potencia (recordemos que quien la define es su luminosidad en rayos X). Por un lado, hay estudios que señalan que los AGN de baja potencia mejoran la formación estelar, pero hay otros que argumentan que el AGN mejora la formación de estrellas independientemente de su potencia. E incluso los hay que afirman que no hay correlación entre ellos.
La astrofísica moderna tiene a su disposición instrumentos de observación muy sofisticados y se trabaja en estos temas utilizando vastas bases de datos. De esta manera nos vamos acercando cada vez más a las respuestas que llevamos años buscando. Dos misiones contribuirán particularmente en esta dirección: eROSITA y Athena. La misión eROSITA ya nos ha ofrecido sus primeras observaciones y esperamos ansiosamente a que Athena se lance en la próxima década.
