revista de divulgación del Instituto de Astrofísica de Andalucía

Pilares e Incertidumbres

Los objetos más luminosos del universo: las galaxias activas

Por Josefa Masegosa (IAA-CSIC)
Pilares científicos

El descubrimiento de los cuásares, el primer tipo de galaxia activa observado, guarda relación con la evolución de la radioastronomía. En 1932, Karl Jansky detectó señales de radio de origen desconocido, pero su falta de formación en astrofísica (era ingeniero) y el freno a la inversión que supuso la Gran Depresión impidieron nuevos progresos en el campo. Finalmente, Jansky pudo demostrar que dichas señales estaban asociadas al centro de la galaxia y, en 1946, Hey, Parsons y Phillips mostraron que también había fuentes en el espacio que emitían señales en radiofrecuencias, como Cynus A. Algo más tarde, en 1954, Baade y Minkowsky hallaron la contrapartida óptica a Cygnus A, situada a unos seiscientos millones de años luz, que constituyó la primera radiogalaxia descubierta.
A partir de entonces, los radioastrónomos emprendieron campañas frenéticas para buscar más objetos, y Brown dividió las radiofuentes en dos categorías: Clase I para las que mostraban emisión extendida, a las que atribuyó un origen galáctico, y Clase II para las más compactas, de origen extragaláctico. El primer catálogo de fuentes de radio se lo debemos a Edge y Bennett. Este grupo, de la universidad de Cambridge, se propuso confirmar la naturaleza de las radiofuentes en el catálogo 3C, y en 1960 Alan Sandage descubrió que el objeto 3C48 mostraba un espectro con líneas muy anchas que no fue capaz de identificar, y que describió como una estrella cercana con propiedades muy particulares. Aunque 3C48 fue el primer cuásar detectado, fue Marteen Schmidt quien, en 1963, se dio cuenta de que el espectro de 3C273 era parecido al de 3C48, y que estas líneas anchas podrían ser líneas de hidrógeno, pero desplazadas al rojo (el corrimiento al rojo viene provocado por la expansión del universo y el distanciamiento progresivo de las galaxias: la luz tiende al rojo del espectro en caso de distanciamiento y al azul si emisor y receptor se acercan). El descubrimiento de Schmidt suponía que 3C48 se alejaba de nosotros a una velocidad de 47.000 kilómetros por segundo -más de un décimo de la velocidad de la luz- y se encontraba a tres mil millones de años luz de distancia.
Seis semanas después, la revista Nature publicó tres artículos con dicho descubrimiento. En su momento, este hallazgo fue tan relevante que Maarten Schmidt fue portada de la revista Time. Estas fuentes eran, como mínimo, diez veces más brillantes que la galaxia más brillante conocida, lo que motivó una fuerte controversia sobre el origen del corrimiento al rojo protagonizada por el grupo de Cambridge, con sus máximos exponentes Margaret Burbidge y Geoffrey Burbidge. La cuestión que se discutió era que, para poder rebajar la luminosidad de los cuásares, la única alternativa era que el corrimiento al rojo no tuviera un origen cosmológico, sino que fuera de origen gravitacional. Resultó demasiado provocativa la pretensión de los Burbidge de que las galaxias estuviesen viviendo fenómenos explosivos en sus núcleos, algo que para ellos resultó inmediatamente evidente al publicarse el hallazgo de las galaxias seyfert, similares a los cuásares.
Cuando yo comencé mi carrera en astronomía, en 1983, ya se habían descubierto unas pocas galaxias con núcleos activos, se hablaba de que tenían minicuásares en el núcleo y empezaba a usarse el término núcleo activo de galaxia (o AGN, del inglés Active Galactic Nuclei). Y se constató que las galaxias activas son los objetos más energéticos del universo: sus luminosidades eran desde miles hasta millones de veces más brillantes que las de las galaxias normales y sus núcleos, muy compactos (no resueltos en las placas fotográficas), eran mucho más luminosos que toda la galaxia. Algunos de ellos eran fuertes emisores en radiofrecuencias y mostraban chorros y lóbulos de material muy extendidos y, lo que yo considero su propiedad más fascinante, emitían en todo el espectro electromagnético. De forma que se unificaron los lambda-astrónomos (astrónomos que solo estudian un rango del espectro electromagnético, a saber astrónomos ópticos, radioastrónomos, astrónomos de rayos X, etc) y el hecho de que emitan hasta en frecuencias X y gamma nos indica que estamos ante fenómenos que implican grandes cantidades de energía, con temperaturas asociadas de millones y billones de grados. Todas estas emisiones son además variables en periodos muy cortos, lo que nos da una idea de que la zona emisora es muy reducida, del tamaño del Sistema Solar. Así pues, a lo largo de estos años se han identificado mayoritariamente usando todo el espectro electromagnético.
Desde el comienzo, la dificultad principal ha residido en la gran cantidad de nombres usados para el mismo fenómeno, que también tiene que ver con el lambda-astrónomo correspondiente y encontramos esta variedad de objetos. Así que la pregunta a plantearse era sobre la fuente de energía, y solo el acrecimiento de material sobre un agujero negro es lo bastante eficiente para emitir tanta luz, un escenario que explicaba además la emisión en frecuencias muy energéticas. Alrededor del agujero negro hallaríamos un disco de materia que gira a velocidades relativistas y que alimenta el agujero negro, aumentando su masa.
Al encontrarnos esta amplia variedad de nombres y situaciones astrofísicas se trabajó para entender por qué se veían diferentes: unos tenían líneas más anchas que otros, unos emitían mucho en radiofrecuencias y otros no… El astrónomo infrarrojo Michael Rowan-Robinson propuso que habría que tomar en cuenta la presencia de polvo y, en 1987, Andy Lawrence explicaba la dicotomía entre las galaxias seyfert 1 y seyfert 2 con efectos geométricos y de oscurecimiento por polvo. En el trabajo de Megan Urry y Paolo Padovani se visualiza como un dónut (imagen página contigua): un agujero negro supermasivo rodeado por un disco de acrecimiento del que, si las condiciones son las adecuadas, podría emerger un chorro relativista magnéticamente confinado observable en radiofrecuencias y que, dependiendo del ángulo de visión, lo clasificaríamos como seyfert 1 o seyfert 2. Las observaciones multifrecuencia de Centaurus A indican que estamos bastante cerca de la realidad (imagen izquierda).  
Así pues, consideraremos como evidencias de la existencia de un núcleo activo (AGN) la dinámica de la materia cerca del núcleo, la variabilidad, los chorros de material en radiofrecuencias y las anchuras de las líneas de emisión.

 

Incertidumbres

Y por qué son tan importantes los AGNs. Por un lado, nos permiten tener acceso al universo temprano. El cuásar más lejano conocido se encuentra a unos 29 000 millones de años luz, y emitió su luz cuando el universo tenía solo 690 millones de años, en torno a un 5% de su edad actual. Así, estos objetos nos permiten conocer épocas remotas de la historia del universo. La segunda razón importante reside en la constatación, en el año 2000 por Laura Ferrarese y David Merritt, de la relación más importante en los cuásares desde su descubrimiento, la relación entre la masa de las galaxias y los agujeros negros supermasivos de los núcleos (ver imagen). Este descubrimiento ha puesto de manifiesto que todas las galaxias albergan agujeros negros en sus núcleos. En unos casos están activos y detectamos su presencia, y en otros se hallan en letargo y no muestran evidencias de su existencia.

Las razones por las que se enciende la actividad es uno de nuestros objetos de estudio, lo que impone fuertes limitaciones a los modelos de formación y evolución de las galaxias. Para que el agujero negro esté activo se tienen que dar dos condiciones: que exista material para alimentarlo y que haya un mecanismo eficiente para transportar dicho material hacia el núcleo. La interacción gravitacional entre galaxias ha sido sugerida como uno de los mecanismos posibles. El otro modelo propuesto es la evolución secular de las galaxias: una galaxia empieza como espiral y, debido a perturbaciones, se podrían generar inestabilidades tales como barras (estructuras alargadas que se extienden a ambos lados del núcleo) que dan lugar a la pérdida de momento angular y a la acumulación del gas en el núcleo, lo que alimentaría el agujero negro.
Este aspecto de las galaxias activas, es decir, su relación entre galaxias muy activas tipo cuásar y las normales ha hecho que enfoquemos nuestra atención en las galaxias tipo LINER, que de alguna manera podrían resolver este puzle. Después de largos años de debate desde su descubrimiento, por Timothy Heckman en 1980, se ha puesto de manifiesto que comparten la mayoría de las propiedades asimilables a una galaxia activa: variabilidad, emisión de alta energía en rayos X y gamma o chorros relativistas en radiofrecuencias. La mayor diferencia con sus parientes activos, las galaxias seyfert y los cuásares, hay que buscarla en el mecanismo de acrecimiento, que es altamente ineficiente para los LINERs y muy eficiente para las galaxias más activas, aunque comparten agujeros negros de masas similares. Representan, por tanto, en la actualidad uno de los mayores retos de estudio ya que entender este proceso nos haría entender por qué se apaga y se enciende la actividad galáctica y, por lo tanto, la evolución general de las galaxias.