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ESPACIO | Identifican estados de actividad similares en agujeros negros supermasivos y estelares

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Los agujeros negros supermasivos en galaxias activas muestran estados de acreción similares a los observados en los agujeros negros de masa estelar en nuestra galaxia. Crédito: Teo Muñoz Darias/Juan A. Fernández Ontiveros.

Los investigadores Juan A. Fernández-Ontiveros, del Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) en Roma y Teo Muñoz-Darias, del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), han presentado un estudio en el que caracterizan los diferentes estados de actividad de una amplia muestra de agujeros negros supermasivos en núcleos activos de galaxias. Para ello han comparado su comportamiento con el de sus parientes más cercanos, los agujeros negros estelares en binarias de rayos X. El trabajo se acaba de publicar en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).

Entender los ciclos de actividad de los agujeros negros desde una perspectiva global, que incluya tanto a objetos con masas desde una decena de soles hasta aquellos con cientos o miles de millones de masas solares, es un paradigma que se investiga desde hace décadas. Los primeros residen en sistemas binarios junto a una estrella compañera de la que extraen el gas necesario para sustentar su actividad, mientras que los segundos se encuentran en el centro de la mayoría de las galaxias y se alimentan del gas, el polvo y las estrellas que quedan atrapados en el pozo gravitatorio del núcleo galáctico.

Los agujeros negros de masa estelar evolucionan rápidamente. Su ciclo de actividad suele abarcar unos pocos meses o años, durante los cuales transitan por varios estados o fases. Estos se caracterizan por cambios en las propiedades del disco de acreción (donde se acumula el gas caliente antes de caer al agujero negro), el viento y los chorros o jets de materia que producen. Hay dos estados principales dominados por el disco de acreción en un caso y por el jet en el segundo. El estado ‘soft’ está marcado por la emisión térmica del plasma en el disco, mientras que el jet se observa en el estado ‘hard’, cuando el disco se enfría y la emisión en ondas de radio se vuelve muy intensa.

Debido a su mayor tamaño, los agujeros negros supermasivos evolucionan mucho más lentamente que sus homólogos de masa estelar. Por lo tanto, demostrar la existencia de estados y tránsitos en cada uno de estos sistemas implicaría un seguimiento durante millones de años, de manera que estos procesos resultan imperceptibles en el transcurso de una vida humana. Por otra parte, los núcleos de galaxias son regiones densamente pobladas donde la emisión de las estrellas y la absorción de la luz causada por el hidrógeno y el polvo enmascaran y ocultan la radiación del disco de acreción en torno al agujero negro central.

Para este estudio Fernández Ontiveros y Muñoz Darias han utilizado una amplia muestra de 167 galaxias activas que permite identificar los posibles estados de acreción de forma estadística en la población de agujeros negros supermasivos. La emisión del disco de acreción no es accesible de manera directa, pero el gas ubicado en la región central de estas galaxias absorbe y reprocesa la radiación en forma de líneas espectrales. Utilizando las líneas de oxígeno y neón que se observan en el rango del infrarrojo medio es posible sondear la presencia del disco en estos objetos. “El estudio demuestra la presencia de estados de acreción en agujeros negros supermasivos con propiedades muy similares a los que conocemos en agujeros negros de masa estelar, donde los sistemas en el estado ‘soft’ albergan un disco brillante y aquellos en el estado ‘hard’ muestran una intensa emisión en radio, mientras que el disco es muy débil”, explica Juan A. Fernández-Ontiveros, investigador del INAF formado en el IAC.

“Este trabajo abre una nueva ventana para entender el comportamiento de la materia (gas) cuando cae en agujeros negros de un amplio rango de masas y ayuda a comprender de manera precisa cuáles son los ciclos de actividad de los agujeros negros supermasivos que se sitúan en el centro de cada galaxia”, señala Teo Muñoz-Darias, investigador del IAC.

En la figura se ilustra cómo la población de galaxias activas Seyfert-1 está típicamente dominada por la emisión del disco de acreción (estado ‘soft’), mientras que la población de LINERs es mucho menos luminosa y en ella predominan los chorros de materia o jets (estado ‘hard’), que emiten intensamente en ondas de radio. Las galaxias Seyfert-2, por otro lado, no muestran un comportamiento homogéneo y mientras que una buena parte se comporta de manera similar a las Seyfert-1, un numeroso grupo de ellas se sitúa en estados intermedios. Estos últimos también se observan en agujeros negros estelares durante breves periodos de tiempo.

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