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Corrientes de polvo transgalácticas alimentan la galaxia más brillante del Universo

Un equipo de astrónomos, liderado por los científicos del UDP Tanio Díaz Santos, Roberto Assef y Manuel Aravena, publicó hoy un estudio en la revista Science que muestra que la galaxia más luminosa jamás descubierta está canibalizando no uno, ni dos, sino al menos tres de ellos. Sus vecinos más pequeños. El estudio muestra que el material que la galaxia está robando a sus vecinos probablemente contribuye a su brillo súper.

La galaxia, llamada WISE J224607.55-052634.9, descubierta por el Explorador de Infrarrojos de Campo Amplio (WISE) de la NASA en el espacio, no es de ninguna manera la galaxia más grande o más grande que conocemos, pero se irradia a 350 trillones de veces La luminosidad del sol. Si todas las galaxias estuvieran ubicadas a una distancia igual a la nuestra, WISE J224607.55-052634.9 (o W2246-0526 para abreviar) sería la más brillante.

Las nuevas observaciones que utilizan el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) en Chile revelan distintos rastros de polvo que se extraen de tres galaxias más pequeñas hacia W2246-0526. Los senderos contienen casi tanto material como las galaxias más pequeñas en sí, y no está claro si esas galaxias escaparán de su destino actual o serán completamente consumidas por su vecino luminoso.

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Imagen de ALMA de W2246-0526 y sus acompañantes.

La mayor parte de la luminosidad récord del W2246-0526 proviene no solo de las estrellas, sino también de una colección de gas caliente y polvo concentrado alrededor del centro de la galaxia. En el corazón de esta nube se encuentra un agujero negro supermasivo, recientemente determinado que es 4 mil millones de veces más masivo que el Sol. En la gravedad intensa, la materia cae hacia el agujero negro a altas velocidades, chocando entre sí y calentándose hasta millones de grados, lo que hace que el material brille con un brillo increíble. Las galaxias que contienen este tipo de estructuras luminosas, alimentadas por agujeros negros, se conocen como quásares.

Como cualquier motor en la Tierra, la enorme salida de energía del W2246-0526 requiere una entrada de combustible igualmente alta. En este caso, eso significa gas y polvo para formar estrellas y reponer la nube alrededor del agujero negro central. El nuevo estudio muestra que la cantidad de material que WJ2246-0526 acumula de sus vecinos es suficiente para reponer lo que se está consumiendo, manteniendo así la tremenda luminosidad de la galaxia.

“Es posible que este frenesí de alimentación ya haya estado en curso durante algún tiempo, y esperamos que la fiesta galáctica continúe por al menos unos cientos de millones de años”, dijo Tanio Díaz-Santos, autor principal del estudio.

En el nuevo estudio, los científicos utilizaron imágenes de ALMA, una colección de antenas de radio individuales que funcionan juntas como un solo telescopio, para identificar los rastros polvorientos del material. La posición de los senderos de acreción sugiere fuertemente que contienen material que fluye entre W2246-0526 y las otras galaxias. Además, los senderos exhiben la morfología correcta, es decir, la forma de los senderos es consistente con la forma en que debería fluir el material si se extrae de una galaxia a otra.

Este tipo de canibalismo galáctico no es infrecuente. Los astrónomos han observado previamente que las galaxias se fusionan o acumulan materia de sus vecinos en el universo cercano. Por ejemplo, el par de galaxias conocidas colectivamente como “los ratones” se llaman así porque cada una tiene una cola larga y delgada de material de acreción que se separa de ella.

W2246-0526 es la galaxia más distante que se haya encontrado que acrecienta material de múltiples fuentes. La luz de W2246-0526 tardó 12.4 mil millones de años en llegar a nosotros, por lo que los astrónomos están viendo el objeto como estaba cuando nuestro universo tenía solo una décima parte de su edad actual de 13.8 mil millones de años. A esa distancia, las corrientes de material que caen en W2246-0526 son particularmente débiles y difíciles de detectar. El estudio se basa en 2,5 horas de tiempo de observación utilizando 40 de las antenas de radio de 12 metros de ALMA.

“Sabíamos por datos anteriores que había tres galaxias compañeras, pero no había evidencia de interacciones entre estos vecinos y la fuente central”, dijo Díaz-Santos. “No estábamos buscando un comportamiento caníbal y no lo esperábamos, pero esta profunda inmersión con el observatorio ALMA lo deja muy claro”.

W2246-0526 cae en una categoría especial de quásares particularmente luminosos conocidos como galaxias calientes y oscuras, o PERROS calientes. Los astrónomos piensan que la mayoría de los quásares obtienen parte de su combustible de fuentes externas. Una posibilidad es que estos objetos reciban un lento goteo de material del espacio entre las galaxias. Otra es que se alimentan de ráfagas al comerse otras galaxias, que parece estar ocurriendo con W2246-0526. No está claro si W2246-0526 es representativo de otros cuásares oscuros (aquellos con sus motores centrales ocultos por densas nubes de polvo) o si es un caso especial.

“Esta galaxia puede ser única, porque es casi el doble de luminosa que cualquier otra galaxia que hayamos encontrado con WISE y se formó muy temprano en la historia del universo”, dijo Peter Eisenhardt, científico del proyecto JPL para WISE y coautor de El nuevo papel. “Pero hemos descubierto muchas otras galaxias con WISE que son similares a esta: distantes, polvorientas y miles de veces más luminosas de lo que son las galaxias típicas en la actualidad. Así que con W2246-0526, podemos estar viendo lo que sucede durante una etapa clave en la evolución de las galaxias y los quásares oscuros ”.

En última instancia, la glotonería de la galaxia solo puede llevar a la autodestrucción. Los científicos plantean la hipótesis de que los cuásares oscuros que recogen demasiado material alrededor de ellos terminan vomitando gas y polvo de vuelta a través de la galaxia. Este ataque de material detiene la formación de nuevas estrellas, esencialmente empujando a la galaxia a retirarse, mientras que otras galaxias continúan renovándose con el nacimiento de nuevas estrellas.

Comunicado de prensa de JPL

Comunicado de prensa de ALMA

Comunicado de prensa de NRAO

->  Publicación científica

Astrónomos del Núcleo de Astronomía UDP lideran estudio que sorprendió a la galaxia más luminosa del Universo despojando prácticamente de la mitad de su masa no a una ni dos, sino al menos a tres de sus vecinas más pequeñas, según nuevas observaciones realizadas por el Atacama Large Millimiter/submillimeterArray (ALMA) y publicadas en la revista científica Science. Como la luz de esta galaxia, conocida como W2246-0526, tardó 12.400 millones de años luz en llegar hasta nosotros, los astrónomos la ven como era cuando el Universo tenía un décimo de su edad actual.

Las nuevas observaciones de ALMA revelaron unas claras corrientes de material que se cree fluye desde las tres galaxias más pequeñas hacia la galaxia central, que fue descubierta en 2015 por la sonda espacial Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), de la NASA. Aunque dista mucho de ser la galaxia más grande o masiva que se conoce, tiene un brillo extraordinario, equivalente a 350 billones de Soles en el espectro infrarrojo.

Las corrientes de polvo que conectan a las galaxias entre ellas contienen prácticamente tanto material como las galaxias vecinas. Estos objetos extremadamente tenues y distantes fueron detectados gracias a la increíble sensibilidad y capacidad de resolución de ALMA.

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Imagen ALMA de W2246-0526 y sus compañeros que la alimentan a través de corrientes de polvo trans-galácticas. Créditos: T. Diaz-Santos et al.; N. Lira; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO).

La investigación fue liderada por Tanio Díaz-Santos, investigador postdoctoral del Núcleo de Astronomía de la Universidad Diego Portales (UDP), junto con un equipo internacional en el que también participaron los investigadores del Núcleo de Astronomía UDP Roberto Assef y Manuel Aravena, y Karia Dibert, estudiante del MIT quien trabajó en la investigación durante una estadía en Chile.

“Gracias a datos obtenidos anteriormente, sabíamos que habían tres galaxias aledañas, pero no había indicios de interacción entre estas y la fuente central”, explica Tanio Díaz-Santos. “No buscábamos un comportamiento caníbal ni tampoco nos lo esperábamos, pero esta observación detallada con el observatorio ALMA dejó todo muy claro”.

Si bien el canibalismo galáctico no es un fenómeno raro, los autores del estudio afirman desconocer la existencia de observaciones similares de otras galaxias que se alimenten de múltiples fuentes en ese período cósmico tan temprano, lo cual hace de esta la galaxia más distante que se haya observado con dicho comportamiento.

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Impresión artística de W2246-0526, la galaxia más luminosa conocida, y tres galaxias compañeras. Crédito: NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello

Los investigadores subrayan que la cantidad de gas devorado por W2246-0526 es suficiente para formar estrellas y alimentar su agujero negro central durante varios cientos de millones de años.

Sin embargo, el fuerte brillo de esta galaxia no se debe principalmente a sus estrellas, sino a un disco de gas diminuto pero increíblemente energético que gira en torno al agujero negro supermasivo en su centro y se sobrecalienta a medida que la materia contenida en este cae en espiral hacia el interior del agujero negro. La luz de este disco de acreción extremadamente brillante, al que normalmente se le denomina núcleo galáctico activo, es absorbida por el polvo circundante que reemite la energía en forma de luz infrarroja.

Este fenómeno convierte a esta galaxia en uno de los raros cuásares conocidos como galaxias calientes oscurecidas por polvo. Solo uno de cada 3.000 cuásares observados por la sonda WISE pertenece a esta categoría

Gran parte del polvo y gas extraído de las tres galaxias más pequeñas probablemente se convierta en nuevas estrellas y alimente el agujero negro de la galaxia más grande. No obstante, la voracidad de esta galaxia podría provocar su destrucción. De los estudios realizados anteriormente se desprende que la energía del núcleo galáctico activo terminará despojando a la galaxia de buena parte (y quizás la totalidad) del combustible que permite formar estrellas.

“La eficiencia con la que esta galaxia esta engullendo materia de sus compañeras probablemente la llevará a su propia destrucción.” afirma Roberto J. Assef, profesor de la Universidad Diego portales y co-autor del trabajo.

En un estudio realizado por otro equipo se había determinado que el agujero negro en el centro de W2246-0526 tenía cerca de 4.000 millones de masas solares. La masa del agujero negro determina directamente cuán brillante puede llegar a ser el núcleo galáctico activo, pero el estudio arrojó que W2246-0526 es cerca de tres veces más brillante de lo que debería. Para explicar esta aparente contradicción se necesitarán más observaciones.

Esta animación muestra en azul el campo de visión del Telescopio Espacial Hubble en la misma zona del cielo en que ALMA observó (en rojo y amarillo) el sistema de galaxias W2246-0526. La gran galaxia en azul que observa Hubble se encuentra mucho más cerca de la Tierra que el sistema estudiado y por lo tanto no es parte de este estudio. La animación muestra claramente como ALMA logra revelar estructuras que en el óptico sería imposible de observar. Crédito: T. Diaz-Santos et al; / Hubble Space Telescope / N. Lira – ALMA (ESO/NAOJ/NRAO).

Información adicional

Los resultados de esta investigación se consignan en el artículo titulado “The Multiple Merger Assembly of a Hyper-luminous Obscured Quasar at redshift 4.6” (‘Fusión múltiple en un cuásar hiperluminoso oscurecido en el desplazamiento al rojo de 4,6’), de T. Díaz-Santos et al., publicado en la revista Science.

El equipo de investigación estuvo compuesto por T. Díaz-Santos [1], R. J. Assef [1], A. W. Blain [2], M. Aravena [1], D. Stern [3], C.-W. Tsai [4], P. Eisenhardt [3], J. Wu [5], H. Jun [6], K. Dibert [7], H. Inami [8], G. Lansbury [9] y F. Leclercq [8].

[1] Núcleo de Astronomía, Facultad de Ingeniería y Ciencias. Universidad Diego Portales, Ejército Libertador 441, Santiago, 8320000, Chile.
[2] Universidad de Leicester, Facultad de Física y Astronomía, University Road, Leicester LE1 7RH, Reino Unido.
[3] Jet Propulsion LaboratoryCalifornia Institute of Technology, 4800 Oak Grove Dr., Pasadena, CA 91109, EE. UU.
[4] Departamento de Física y Astronomía, Universidad de California, Los Ángeles, CA 90095, EE. UU.
[5] Observatorios Astronómicos Nacionales, Academia China de Ciencias, 20A Datun Road, Distrito de Chaoyang, Pekín, 100012, China.
[6] Escuela de Física, Instituto Coreano de Estudios Avanzados, 85 Hoegiro, Dongdaemun-gu, Seoul 02455, Corea.
[7] Departamento de Física, Instituto de Tecnología de Massachusetts, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA, 02139, EE. UU.
[8] Universidad de Lyon, Univ Lyon1, Escuela Normal Superior de Lyon, Centro Nacional de Investigación Científica, Centro de Investigación Astrofísica de Lyon UMR5574, F-6~9230, Saint-Genis- Laval, Francia.
[9] Instituto de Astronomía, Universidad de Cambridge, Madingley Road, Cambridge, CB3 0HA, Reino Unido.

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