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El Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano revela un inesperado y poderoso viento molecular proveniente del núcleo activo de una galaxia espiral

Santa María Tonantzintla, Puebla, a 29 de octubre. Utilizando el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM) un grupo de astrofísicos realizó un descubrimiento inesperado: la detección de un poderoso viento de gas molecular frío en una galaxia similar a la Vía Láctea ubicada a 800 millones de años luz de distancia.

            El equipo científico que realizó el descubrimiento está integrado en su mayoría por investigadores del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), así como por investigadores de la UNAM y de otras instituciones de Italia, Bélgica, Estados Unidos, Finlandia, Holanda, Alemania y España.

            Gracias a los datos en rayos X obtenidos con el satélite XMM Newton de la Agencia Espacial Europea, hace dos años se reportó que este mismo objeto, llamado IRAS 17020+4544, presentaba vientos ultra rápidos constituidos por gas ionizado de alta temperatura moviéndose a velocidades subrelativistas (30,000 km/s). Dichos vientos son característicos de agujeros negros supermasivos ubicados en núcleos activos de galaxias muy luminosos (cuásares). La actividad de estas galaxias procede de la energía liberada en los procesos de acreción de un gas distribuido en un disco alrededor del agujero negro. Lo peculiar de IRAS 17020+4544 es que, aún hospedando un núcleo galáctico activo, es una galaxia menos brillante que los cuásares.

Las doctoras Anna Lia Longinotti y Olga Vega. Foto: archivo INAOE.

            Los datos obtenidos con el espectrógrafo del GTM Redshift Search Receiver (RSR) desarrollado por la Universidad de Massachusetts (UMass), revelan que esos vientos vertiginosos detectados en rayos X coexisten con la salida, a gran velocidad, de gas molecular denso y frío, que emite en ondas milimétricas y que es trazado por la molécula de monóxido de carbono (CO). Estos resultados han sido reportados en un artículo publicado recientemente en la prestigiosa revista Astrophysical Journal Letters.

            En entrevista, la doctora Anna Lia Longinotti, investigadora del INAOE y líder de esta investigación, comenta que el gas detectado por el GTM se localiza en regiones distantes dentro de la misma  galaxia progenitora, entre 2,000 y 20,000 años luz de distancia al núcleo activo, mientras que el viento en rayos X está localizado mucho más cerca del agujero negro, es decir, en el corazón de la galaxia activa a escalas inferiores a milésimas de año luz.

Composición artística del GTM observando la galaxia IRAS17020+4544. Izquierda: vista nocturna del GTM. Fondo: Imagen del campo de IRAS17020+4544 tomada en la Sloan Digital Sky Survey. El punto blanco brillante es el núcleo activo, el  de color naranja es una estrella de campo. Derecha: espectro del GTM tomado por el espectrógrafo RSR. La intensa línea es emitida por moléculas de monóxido de carbono en la transición CO(1-0), presentes en el gas de la galaxia. La característica ancha remarcada en azul traza el viento molecular moviéndose a 700 km/s. (Crédito: Departamento de Imagen y Diseño, INAOE/A. Gómez-Ruiz/SDSS/Longinotti et al. 2018)

            La investigadora subrayó que "la razón científica para observar el gas molecular es porque se sospecha que hay una conexión entre el viento ultra rápido que se origina en el disco de acreción y los vientos que se originan en regiones mucho más externas de la galaxia, donde se encuentra el gas molecular. En esta galaxia ya teníamos evidencia de un viento capaz de retroalimentar la galaxia huésped. En el proceso de retroalimentación, una cantidad suficiente de masa y energía es expulsada con la consecuencia de vaciar la galaxia del gas necesario para la formación de estrellas. Cuando el viento empuja el gas y lo lleva hacia fuera, priva a la galaxia de ese "alimento" y el efecto global es que la galaxia ya no es una galaxia muy eficiente en formación estelar, es más pasiva. Es lo que se llama retroalimentación".

            El viento que se origina en el disco de acreción, y que observamos en rayos X, es expulsado con una cierta cantidad de energía y "fuerza" y las mantiene mientras va barriendo la galaxia, "por las mediciones que realizamos parece que el viento molecular ha conservado la energía que tenía de origen cuando fue lanzado del disco de acreción. Entonces, esta conexión parece indicar que el comportamiento del agujero negro tiene un efecto sobre el gas distribuido a escalas mucho más grandes en la galaxia huésped y por lo tanto es capaz de regular la formación estelar de las galaxias y determinar su evolución".

            La doctora destacó que nadie esperaría este tipo de fenómeno en objetos que no son cuásares o galaxias ultraluminosas en el infrarrojo y que contienen una gran cantidad de gas molecular. "Sabemos que las características técnicas del GTM nos permiten observar el gas molecular en galaxias, pero en ésta pudimos, además, determinar la presencia de este viento molecular. Sus velocidades, aunque inferiores a la de los vientos de rayos X, van de 700 a 1,000 kilómetros por segundo, lo cual excede por mucho la velocidad típica de este gas en las galaxias", destacó.

Representación artística de una galaxia activa con un fuerte viento molecular (filamentos morados) y de su núcleo constituido por un agujero negro supermasivo (punto negro) con disco de acreción (rojo/amarillo) del cual se expulsa un viento ultra rápido en rayos X (azul claro). Las imágenes no están a escala.  Crédito: ESA/ATG medialab/NASA/CXCâandâNahksâTr'Ehn.  

            Por su parte, la doctora Olga Vega, investigadora del INAOE, y quien también participó en este proyecto científico, subrayó que el GTM es actualmente el mejor telescopio milimétrico de plato único para hacer este tipo de trabajo: "Tras ocho horas de observación con el GTM, en su configuración de 32 metros de diámetro, llegamos prácticamente al límite de detección. Tuvimos unas condiciones climatológicas especialmente buenas, donde la atmósfera fue muy estable y con muy poca cantidad de vapor de agua. En principio sería muy difícil hacer este tipo de observaciones con un telescopio de plato único más pequeño en observatorios con peores condiciones climatológicas. Hasta la fecha, sólo tres objetos han sido detectados con estas características, y efectivamente los otros dos son diez veces más luminosos que nuestro objeto".

            La doctora Longinotti comentó: "La novedad del resultado es que vemos retroalimentación en una galaxia en la que no la esperábamos. Los otros dos objetos en los que se observa este fenómeno son más ricos en gas y polvo, mientras que esta galaxia es muy parecida a la Vía Láctea. Esto abre una puerta para investigar si también las galaxias menos luminosas y con características diferentes pueden contribuir a la retroalimentación del núcleo activo de galaxia".

            La doctora Longinotti expresó que, IRAS 17020+4544 ha revelado muchos resultados inesperados y que se seguirá estudiando en distintas longitudes de onda. "Tenemos una campaña multibanda con datos de interferometría, en la misma banda del GTM, con el interferómetro NOEMA de IRAM (Institut de Radioastronomie Millimétrique). Actualmente estoy trabajando con datos del satélite Chandra en rayos X, tenemos aprobada una observación del Telescopio Espacial Hubble para estudiar el espectro ultravioleta, así como una nueva campaña de tipo VLBA (Very Long Baseline Array) para hacer interferometría en radio frecuencia y observar las características de esta fuente y diseccionar el proceso de retroalimentación. Esta sería la primera vez en que se hace una campaña tan completa para esclarecer el fenómeno de los vientos".

            Finalmente, la doctora Olga Vega destacó que el GTM, ya con 50 metros de diámetro  y la nueva instrumentación que se está instalando en el telescopio, es el observatorio  ideal para detectar este tipo de vientos en otras galaxias. "Si quieres hacer un estudio más profundo, tienes que utilizar un interferómetro que permita ver las dimensiones del viento, su geometría y distribución espacial, pero el GTM será fundamental a la hora de descubrir nuevos vientos y así llegar a esclarecer la naturaleza del fenómeno de la retroalimentación cósmica  y su rol en la evolución de galaxias".