Discos de acreción: ¿Qué tan grandes son?

Nada puede evocar mejor una perspectiva existencial que contemplar la imagen de una galaxia. A primera vista, estas grandiosas estructuras pueden parecer un mar de tranquilidad, pero lo cierto es que el centro de muchas galaxias es un ambiente turbulento con un agujero negro supermasivo en pleno proceso activo de “alimentación”. Alrededor de estos densos objetos llenos de misterios orbitan discos de acreción de polvo y gas que alimentan el agujero negro y que emiten una enorme cantidad de energía en todo el espectro electromagnético de la luz: desde los rayos gamma de alta energía, hasta los rayos X, pasando por la luz visible, las ondas infrarrojas y las de radio.

¿Sabías que… los agujeros negros supermasivos contienen entre 100.000 a 10 mil millones de veces más masa que nuestro Sol? Hasta el 2022, se han confirmado más de 150 agujeros negros supermasivos en nuestro Universo local (con mediciones directas de su masa).

El estudio de los discos de acreción puede ayudar a los astrónomos a comprender mejor los agujeros negros y la evolución de sus galaxias anfitrionas. Sin embargo, la mayoría de los discos de acreción son imposibles de fotografiar por estar extremadamente lejos y por sus tamaños relativamente pequeños. No obstante, los científicos utilizan los espectros de la luz emitida desde dentro del disco para caracterizar su tamaño y comportamiento. A través de este enfoque, los astrónomos que utilizan el Telescopio Gemini Norte, la mitad boreal del Observatorio Internacional Gemini, que opera NOIRLab de NSF, lograron detectar por primera vez dos líneas de emisión en el infrarrojo cercano en el disco de acreción de la galaxia III Zw 002, lo cual aporta nuevos límites en el tamaño conocido de estas magníficas estructuras.

El Telescopio Gemini Norte, ubicado cerca de la cumbre de Maunakea en Hawai‘i, con sus compuertas de ventilación abiertas mientras se prepara para las observaciones nocturnas.

Credit: Observatorio Internacional Gemini/NOIRLab de NSF/AURA/J. Pollard

Para comprender estas observaciones, debemos sentar algunas bases sobre qué son las líneas de emisión y qué información nos aportan sobre las regiones alrededor de los agujeros negros supermasivos.

Las líneas de emisión ocurren cuando un átomo en un estado de excitación decae a un nivel de energía inferior, liberando luz en el proceso. Dado que cada átomo tiene un conjunto único de niveles de energía, la luz emitida tiene una longitud de onda discontinua que sirve como una huella digital para identificar su origen. Las líneas de emisión suelen aparecer en el espectro con peaks delgados y drásticos, pero en el vórtice giratorio de un disco de acreción, donde el gas excitado se encuentra bajo la influencia gravitacional de un agujero negro supermasivo y se mueve a velocidades de miles de kilómetros por segundo, las líneas de emisión se ensanchan en peaks más bajos. A la región del disco de acreción donde se originan estas líneas se le conoce como región de línea ancha.

“Observaciones recientes en el infrarrojo cercano revelaron una zona de la región de línea ancha exterior que nunca antes se había visto, aportando más información sobre la geometría y comportamiento de los discos de acreción”

Como mencionamos anteriormente, los discos de acreción son bastante difíciles de fotografiar de forma directa, y hasta el momento sólo se han podido capturar dos fuentes gracias a la gran capacidad de resolución angular del Telescopio de Horizonte de Eventos. Entonces, a menos que cuenten con acceso a una red global de radiotelescopios, ¿cómo saben los astrónomos cuando un agujero negro supermasivo tiene un disco alrededor? Pues, la evidencia de un disco de acreción puede detectarse en un patrón específico de las líneas de emisión anchas llamado perfil de doble peak.

Como el disco está girando, el gas en un lado se aleja del observador, mientras que el gas del otro lado se acerca al observador. Estos movimientos relativos estiran y aprietan las líneas de emisión a longitudes de onda más largas y cortas, respectivamente. El resultado es una línea ensanchada con dos peaks diferentes, uno que se origina en cada lado del disco durante su rápido movimiento de rotación.

Representación artística de un agujero negro supermasivo con un disco de acreción en su órbita. Las descripciones muestran un perfil hipotético de doble peak con flechas que indican en qué parte de la región de líneas anchas se origina cada peak.

Credit: NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld

Estos perfiles de doble peak son un fenómeno singular dado que su ocurrencia está limitada a fuentes que se pueden observar casi de frente. En las pocas fuentes en las que se ha observado, el doble peak se ha detectado en las líneas H-alfa y H-beta, dos líneas de emisión de átomos de hidrógeno que aparecen en el rango de longitud de onda visible. Originadas en la zona interna de una región de línea ancha cerca del agujero negro supermasivo, estas líneas no proporcionan evidencia del tamaño real del disco de acreción, pero las investigaciones recientes en el infrarrojo cercano revelaron una zona de la región de línea ancha exterior que nunca antes se había visto.

Denimara Dias dos Santos, estudiante de doctorado del Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais en Brasil y autora principal de este artículo científico, en colaboración con Alberto Rodriguez-Ardila, Swayamtrupta Panda y Murilo Marinello, investigadores en el Laboratório Nacional de Astrofísica en Brasil, logró la primera detección clara de dos perfiles de doble peak en el infrarrojo cercano en la región de línea ancha de III Zw 002. La línea Paschen-alfa (hidrógeno) se origina en la región interior de la región de línea ancha, y la línea O I (oxígeno neutro) se origina en los alrededores de la región de línea ancha, ¡una región que nunca se había observado antes! Estos son los primeros perfiles de doble peak que se han detectado en el infrarrojo cercano, y aparecieron inesperadamente durante las observaciones con el Espectrógrafo de alta resolución en el Infrarrojo Cercano de Gemini (GNIRS por sus siglas en inglés).

Vista lateral del Generador de Imágenes de Infrarrojo Cercano de Gemini montado en el telescopio Gemini Norte.

Credit: Observatorio Internacional Gemini/NOIRLab de NSF/AURA/J. Pollard

Las observaciones del año 2003 de III Zw 002 en el espectro visible revelaron evidencias de un disco de acreción, y un estudio del 2012 reveló resultados similares. En el 2021, Rodriguez-Ardila y su equipo se dispusieron a complementar estos hallazgos con observaciones en el infrarrojo cercano utilizando GNIRS, el cual es capaz de observar todo el espectro infrarrojo cercano (800-2.500 nanómetros) de una sola vez. Otros instrumentos requieren que el usuario cambie múltiples filtros para cubrir el mismo rango, lo cual puede tomar mucho tiempo y podría añadir incertidumbre ya que las condiciones atmosféricas y las calibraciones cambian de una observación a otra.

“De hecho, redujimos varias veces los datos pensando que era un error, pero en cada caso vimos el mismo resultado emocionante”

Dado que GNIRS puede llevar a cabo observaciones a través de múltiples bandas de luz, el equipo pudo capturar un solo espectro limpio y con calibración consistente donde se revelaron múltiples perfiles de doble peak. “Antes no sabíamos que III Zw 002 tenía este perfil de doble peak, pero cuando redujimos los datos, vimos claramente el doble peak. De hecho, redujimos varias veces los datos pensando que era un error, pero en cada caso vimos el mismo resultado emocionante”, comenta Rodriguez-Ardila.

Las líneas de emisión Paschen-alpha y O I con los perfiles de doble peak claramente visibles. Noten la diferencia en la forma, donde la línea Paschen-alfa tiene un peak central muy pronunciado y O I no lo tiene. Esta diferencia es resultado de las líneas que se originan en radios diferentes dentro de la región de línea ancha.

Credit: Dias Dos Santos y colaboradores

Estas observaciones no sólo confirman la presencia teórica de un disco de acreción, sino que también mejoró la comprensión de los astrónomos sobre la región de línea ancha.

“Por primera vez, la detección de dichos perfiles de doble peak establece límites claros en la geometría de una región que de otra forma no sería posible distinguir. Y ahora tenemos evidencias claras del proceso de alimentación y la estructura interna de una galaxia activa”, añadió Rodriguez-Ardila.

Al comparar estas observaciones con los modelos existentes de discos, el equipo pudo extraer parámetros que proporcionan una mejor perspectiva del agujero negro supermasivo de III Zw 002 y la región de línea ancha.

“Este descubrimiento nos brinda información valiosa sobre la estructura y comportamiento de la región de línea ancha en esta galaxia en particular”

El modelo indica que la línea Paschen-alfa se origina en un radio de 16,77 días luz (la distancia en que la luz viaja en un día terrestre medido desde el agujero negro supermasivo), y una línea O I se origina en un radio de 18,86 días luz. También predice que el radio exterior de la región de línea ancha es de 52,43 días luz. El modelo también indicó que la línea ancha de III Zw 002 tiene un ángulo de inclinación de 18 grados con respecto a los observadores de la Tierra, y el agujero negro supermasivo en su centro es unas 400 a 900 millones de veces más grande que la masa de nuestro Sol.

“Este descubrimiento nos brinda información valiosa sobre la estructura y comportamiento de la región de línea ancha en esta galaxia en particular, aportando más información sobre los fascinantes fenómenos que suceden alrededor de los agujeros negros supermasivos en las galaxias activas”, comentó Rodriguez-Ardila.

Luego de este descubrimiento, Dias dos Santos, Rodriguez-Ardila, Panda y Marinello ahora se encuentran monitoreando a III Zw 002, dado que su disco de acreción se espera que siga un patrón de precesión alrededor del agujero negro supermasivo. Quieren ver cómo cambian los perfiles de las líneas con el tiempo, dado que la precesión causa diferentes intensidades en los peaks azules y rojos. Hasta el momento, el modelo sigue siendo consistente con sus observaciones. Estos resultados también abrieron la posibilidad de utilizar la detección en el infrarrojo cercano para estudiar otros AGN.