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Astrofísicos de México utilizan la huella de un elemento químico en un blazar y ponen a prueba los métodos para calcular masas de agujeros negros

Santa María Tonantzintla, Puebla, a 14 de septiembre. En la maquinaria central de una galaxia a tres mil millones de años luz hay un blazar que en 2017 aumentó fugazmente su luminosidad brillando más que diez mil millones de soles. En ese objeto, astrofísicos de México encontraron la "firma" de un elemento químico, el magnesio ionizado, en un lugar en el que no debería estar. Este hallazgo pone a prueba los métodos científicos para calcular las masas de los agujeros negros.

Este descubrimiento fue reportado en el artículo "Flare-like Variability of the Mg II 2798 Å Emission Line and UV Fe II Band in the Blazar CTA 102", publicado en el Astrophysical Journal, en el cual participan los doctores Vahram Chavushyan, Víctor Patiño y Luis Carrasco, así como el estudiante de doctorado Antonio Amaya, del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE).

Dr. Vahram Chavushyan. Foto: cortesía.

La investigación se realizó con los resultados de más de una década de observaciones realizadas con el telescopio del Observatorio Astrofísico Guillermo Haro (OAGH) del INAOE en Cananea, Sonora, así como con información de bases de datos públicos que abarcan todo el rango del espectro electromagnético, desde las energías más bajas (radio y milímetros) hasta las más altas (rayos gamma).

Dr. Víctor Patiño. Foto: archivo INAOE.

El proyecto aborda el tema de núcleos activos galácticos (AGN por sus siglas en inglés), en el cual el INAOE ha trabajado durante 15 años produciendo ya varios artículos: "Sin embargo, en este caso específico, se estudió un AGN muy particular, un blazar. Este es el segundo evento observado en blazares en el que se detecta este tipo de comportamiento en líneas de emisión", comenta el Dr. Vahram Chavushyan.

Los blazares, indica el investigador, son objetos altamente variables. "Estamos estudiando el comportamiento de las líneas de emisión en este tipo de objetos. Prácticamente somos el único grupo que hace este tipo de trabajo, ya que es complicado analizar muchos espectros del mismo objeto, en este caso analizamos entre 300 y 400 espectros".

El astrofísico explica que el AGN es la maquinaria central de las galaxias. Está compuesta por un agujero negro alrededor del cual hay un disco de acreción. Después hay nubes que están moviéndose a velocidades muy altas. Esta es la región de emisión de líneas anchas y luego hay otra estructura que se llama toroide de polvo, porque tiene una forma de dona. "En el caso específico de los blazares también hay un chorro o jet que observamos en ondas de radio, pero hay casos en que estamos observando en todas las longitudes de onda, como óptico, infrarrojo, etc.", subraya.

Esquema general de un Nucleo Galáctico Activo, donde se muestran los principales componentes, así como nubes alrededor del jet, que producen líneas de emisión. La figura (a) muestra lo que se espera antes de la ráfaga, donde las nubes alrededor del jet no se encuentran ionizadas. La figura (b) muestra lo que se espera durante la ráfaga donde las nubes alrededor del jet se encuentran ionizadas debido a ella. Esta ráfaga ocurrió a 25 pc del agujero negro. Crédito: Wolfgang Stephen, Cosmovision & modificaciones por Vahram Chavushyan.

El científico refiere que existen modelos que intentan explicar los procesos físicos de estos objetos, pero que la teoría no está muy bien establecida y que tampoco hay un consenso general de cómo está funcionando. "Este tipo de trabajos ayuda a entender y a mejorar las teorías que están explicando todos los procesos en estos objetos", destaca.

Por su parte, el Dr. Víctor Patiño Álvarez señala que los blazares son objetos que varían su brillo en todas las longitudes de onda. El objeto estudiado, CTA 102, se seleccionó porque en 2017 se detectó que tuvo un aumento enorme en su brillo.

"La variación de este objeto durante varios años fue mínima, pero en 2017 tuvo un incremento de brillo en todas las longitudes de onda, en rayos gamma, rayos X, infrarrojo, ultravioleta, radio. Fue un evento corto, duró menos de seis meses. En el óptico, en luz visible, su flujo cambió casi 180 veces. Estamos hablando de un blazar, que es bastante más luminoso que una galaxia entera, nuestra galaxia tiene una luminosidad de 10 mil millones de soles, y aumentó su brillo casi 180 veces", subraya.

El equipo científico indagó qué significaba este cambio en la luminosidad para la maquinaria central, para el agujero negro. El material que está girando alrededor del agujero negro en el disco de acreción es ionizado, es decir, los elementos químicos que están presentes pierden electrones, y esto provoca que emitan líneas de emisión, que son la firma de diferentes elementos químicos. Los astrofísicos seleccionaron las líneas de emisión del magnesio una vez ionizado, y se percataron de que la emisión de este ión de magnesio también se incrementó de la misma manera que el resto, lo cual es un fenómeno raro.

"Nosotros esperaríamos que este incremento de la luz emitida por el magnesio sucediera solamente si se incrementara únicamente la cantidad de luz emitida por el disco de acreción, por el material girando alrededor del agujero negro. Sin embargo, el disco de acreción no emite en rayos gamma ni en radio, el incremento en esas bandas viene del jet o chorro, que emite en todas las longitudes de onda. El hecho de que este incremento sucediera en todas las longitudes de onda nos indica que el fenómeno que está causándolo proviene del jet. Si es así, la pregunta es por qué esto tendría que afectar a la línea de magnesio que estamos estudiando. Este fue uno de los puntos principales del artículo. En principio esto nos dice que el material que emite en líneas de emisión anchas puede ser ionizado o afectado por la emisión del jet. Hay muchos estudios, incluidos aquellos que se encargan de calcular las masas de agujeros negros, que se ven afectados por esta conclusión importante", destaca el Dr. Víctor Patiño.

"Si este comportamiento es común en todos los blazares, porque ahora sólo llevamos dos, pero nuestro grupo publicó otro trabajo en 2016 el cual indica que posiblemente, una parte importante de la población de blazares podría tener esta componente, significa que muchos de los cálculos que se han publicado por décadas de masas de agujeros negros y modelos que usan estos valores podría estar mal calculados", apunta.

El Dr. Vahram Chavushyan recalca que esta investigación demostró que existe una región relacionada con el jet que emite esta línea y determinó dónde está: "La región de emisión de líneas anchas está dentro de un parsec, es decir, a menos de dos años luz del agujero negro. En este caso la distancia donde se observó el evento es de 25 parsecs, a unos 80 años luz del agujero negro, mucho más lejos del disco de acreción. Esto está cambiando nuestro conocimiento de la estructura de este tipo de objetos astronómicos", afirma.

Otro hallazgo relevante tiene que ver con los métodos para estimar las masas de agujeros negros, entre los que destaca el mapeo de reverberación. Dado que los objetos estudiados tienen un comportamiento completamente diferente al esperado desde el punto de vista de cómo cambia la emisión en el continuo y la línea de emisión, los métodos para calcular las masas de los agujeros negros no sirven para los mismos.

"Los objetos que estamos estudiando no son muchos, son fuertes en radio, son como el 20 por ciento de la población de los núcleos activos de galaxias, pero aún así son un 20 por ciento que contribuye a conclusiones importantes. En el artículo decimos que se necesita tener mucho cuidado, ya que los cálculos para las masas de estos objetos con métodos tradicionales pueden dar errores grandes. Estamos obteniendo un resultado importante que puede afectar toda el área en la que trabajamos".

Para finalizar, el Dr. Chavushyan señala que seguirán con el monitoreo espectroscópico y fotométrico en Cananea de estos objetos: "Tenemos en esta área de AGN, y específicamente sobre la variabilidad, mas de 40 artículos científicos en los últimos 20 años. Son colaboraciones con grupos de todo el mundo, pero donde los datos del Observatorio de Cananea tienen una influencia muy importante porque no es tan fácil obtener tanto tiempo para observar los mismos objetos en otros observatorios. Muchos astrónomos tenemos suerte de tener este telescopio de casa, del INAOE".