«Burbujas de tranquilidad» alrededor de agujeros negros

Gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un equipo de investigadores descubrió regiones en que ciertas moléculas orgánicas logran sobrevivir la intensa radiación en las cercanías de un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia NGC 1068, conocida también por los astrónomos aficionados como M77.

Se piensa que estas complejas moléculas a base de carbono se desintegran fácilmente con los rayos X y fotones ultravioleta (UV) que se propagan en los alrededores de los agujeros negros supermasivos. No obstante, nuevos datos aportados por ALMA indican que existen burbujas de tranquilidad incluso en estás tumultuosas regiones, probablemente gracias a densas áreas de gas y polvo que escudan las moléculas de la radiación letal.

El gas interestelar contiene una gran variedad de moléculas, y su composición química varía considerablemente según el ambiente. Por ejemplo, una zona donde se forman estrellas y que presenta temperaturas más elevadas que su entorno estimula la producción de ciertos tipos de moléculas mediante reacciones químicas que difícilmente se producen en zonas más frías. Esto permite a los científicos estudiar el ambiente (la temperatura y la densidad) de una zona de interés analizando la composición química de las moléculas presentes en ella. Como cada molécula tiene su propio espectro de emisión, podemos identificar la composición química y conocer el ambiente de un objeto lejano realizando observaciones con un radiotelescopio.

Gracias a este método, los astrónomos han estudiado con gran interés las zonas con brotes de formación estelar de las galaxias y las áreas circundantes de los núcleos de galaxia activos, conocidas como discos circumnucleares, sumamente importantes para comprender la evolución de las galaxias. Asimismo, las observaciones en radio de las emisiones moleculares son fundamentales para estudiar los mecanismos y el ambiente de estas zonas. Sin embargo, puesto que emiten ondas de radio muy débiles, no ha sido fácil observar estas moléculas, y con los radiotelescopios convencionales los astrónomos tardaban varios días en detectar las señales.

Observaciones moleculares con ALMA

El equipo encabezado por Shuro Takano, del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), y Taku Nakajima, de la Universidad de Nagoya, usó ALMA para observar la galaxia en espiral M77, ubicada en dirección de la constelación de Cetus (Ballena), a un distancia de aproximadamente 47 millones de años luz. Se sabe que M77 tiene un núcleo galáctico activo rodeado por un anillo con brotes de formación estelar cuyo radio alcanza los 3500 años luz.

Como el equipo ya había hecho observaciones de varias emisiones moleculares de esta galaxia usando el telescopio de 45 metros del Radiobservatorio de Nobeyama del NAOJ, buscaron ahondar en sus investigaciones usando la alta sensibilidad de ALMA así como su alta fidelidad, su capacidad para observar un amplio rango de longitudes de onda al mismo tiempo y su gran resolusión espacial; para identificar las diferencias en la composición química de los núcleos de galaxia activos y las zonas con brotes de formación estelar.

Las observaciones de ALMA revelaron en forma clara la distribución de nueve tipos de moléculas en el disco circumnuclear y en el anillo con brotes de formación estelar. Takano, quien dirige el equipo de investigación, cuenta: «En esta observación usamos solo 16 antenas, que equivalen a cerca de un cuarto del número total de antenas que tiene ALMA, y nos sorprendió mucho poder obtener tantos mapeos de distribución molecular en menos de dos horas. Nunca habíamos obtenido tantos mapeos con una sola observación».

Los resultados de la observación muestran que la distribución molecular varía según el tipo de molécula. Mientras el monóxido de carbono (CO) está repartido principalmente en el anillo con brotes de formación estelar, en el disco circumnuclear se concentran cinco tipos de moléculas, incluyendo moléculas complejas como el cianoacetileno (HC3N) y el acetonitrilo (CH3CN). Además, tanto en el anillo como en el disco circumnuclear, se encuentran moléculas de sulfuro de carbono (CS) y metanol (CH3OH). ALMA proporcionó esta primera observación en alta resolución de los cinco tipos de moléculas detectados en M77, y reveló que estas se concentran en el disco circumnuclear.

Escudos protegen complejos orgánicos alrededor de un agujero negro

El agujero negro supermasivo se traga todo el material circundante gracias a su fuerte gravedad y genera un disco a su alrededor que alcanza elevadas temperaturas, emitiendo intensos rayos X o fotones UV. Cuando una molécula orgánica compleja, dotada de varios enlaces atómicos, queda expuesta a fuertes rayos X o fotones UV, los enlaces atómicos se rompen y la molécula se desintegra. De ahí que se creyera que los discos circumnucleares eran un ambiente demasiado rudo como para que sobrevivieran las moléculas orgánicas. Las observaciones de ALMA, en tanto, demostraron lo contrario al detectar abundantes moléculas orgánicas en el disco circumnuclear.

«Es bastante sorprendente haber encontrado en el disco circumnuclear estas concentraciones de acetonitrilo (CH3CN) y cianoacetileno (HC3N), que tienen un gran número de átomos» señala Nakajima.

El equipo de investigación cree que las moléculas orgánicas se mantienen intactas en el disco circumnuclear debido a la gran cantidad de gas, que les sirve de escudo contra los rayos X y los fotones UV, mientras que en la zona con brotes de formación estelar no sobreviven a los fotones UV porque allí la densidad del gas es menor.

Los investigadores destacan que estos resultados constituyen un importante primer paso para conocer la estructura, la temperatura y la densidad del gas que rodea el núcleo galáctico activo en M77. «Esperamos que las observaciones futuras, con rangos de frecuencia más amplios y mayores resoluciones, nos den una imagen completa y más detallada de nuestro objeto de estudio y nos permitan hacer hallazgos aún más impresionantes», agrega Takano.

«ALMA inició una nueva era en astroquímica» dice Eric Herbst de la Universidad de Virginia en Charlottesville, EEUU y miembro del equipo de investigación. Y agrega que «detectar y trazar moléculas en el Cosmos nos permite aprender mucho más de áreas que de otra forma estarían ocultas, como las regiones alrededor de M77».

Los resultados de esta observación se describieron en el artículo de Takano et al. titulado «Distributions of molecules in the circumnuclear disk and surrounding starburst ring in the Seyfert galaxy NGC 1068 observed with ALMA» (’Distribuciones de moléculas en el disco circumnuclear y el anillo con brotes de formación estelar circundante en la galaxia Seyfert NGC 1068 observada con ALMA’), publicado en el periódico astronómico Publications of the Astronomical Society of Japan (PASJ) en julio de 2014, y en el artículo de Nakajima et al. titulado «A Multi-Transition Study of Molecules toward NGC 1068 based on High-Resolution Imaging Observations with ALMA» (’Estudio multitransicional de moléculas hacia NGC 1068 a partir de imágenes de alta resolución obtenidas con ALMA’), publicado en PASJ en febrero de 2015.

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