La investigación que combina observaciones sistemáticas con simulaciones cosmológicas ha encontrado que, asombrosamente, los agujeros negros pueden ayudar a ciertas galaxias a formar nuevas estrellas. En escalas de galaxias, El papel de los agujeros negros supermasivos en la formación de estrellas se había considerado anteriormente como destructivo:los agujeros negros activos pueden despojar a las galaxias del gas que necesitan las galaxias para formar nuevas estrellas. Los nuevos resultados, publicado en la revista Naturaleza , mostrar situaciones en las que los agujeros negros activos pueden, en lugar de, "despejar el camino" para las galaxias que orbitan dentro de grupos o cúmulos de galaxias, evitando que esas galaxias tengan su formación estelar interrumpida mientras vuelan a través del gas intergaláctico circundante.

Se cree principalmente que los agujeros negros activos tienen una influencia destructiva en su entorno. Mientras lanzan energía a su galaxia anfitriona, se calientan y expulsan el gas de esa galaxia, haciendo más difícil para la galaxia producir nuevas estrellas. Pero ahora, Los investigadores han descubierto que la misma actividad en realidad puede ayudar con la formación de estrellas, al menos para las galaxias satélites que orbitan alrededor de la galaxia anfitriona.

El resultado contrario a la intuición surgió de una colaboración provocada por una conversación a la hora del almuerzo entre astrónomos especializados en simulaciones por computadora a gran escala y observadores. Como tal, es un buen ejemplo del tipo de interacción informal que se ha vuelto más difícil en condiciones de pandemia.

Las observaciones astronómicas que incluyen tomar el espectro de una galaxia distante (la separación similar a un arco iris de la luz de una galaxia en diferentes longitudes de onda) permiten mediciones bastante directas de la velocidad a la que esa galaxia está formando nuevas estrellas.

Siguiendo tales medidas, algunas galaxias están formando estrellas a un ritmo bastante tranquilo. En nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, sólo nacen una o dos estrellas nuevas cada año. Otros experimentan breves ráfagas de excesiva actividad de formación estelar, llamados "estallidos de estrellas", con cientos de estrellas nacidas al año. En otras galaxias, la formación de estrellas parece estar suprimida, o "apagado, "como dicen los astrónomos:estas galaxias prácticamente han dejado de formar nuevas estrellas".

Un tipo especial de galaxia especímenes de los cuales con frecuencia, casi la mitad de las veces, se encuentran en un estado tan apagado, son las llamadas galaxias satélite. Estos son parte de un grupo o cúmulo de galaxias, su masa es comparativamente baja, y orbitan una galaxia central mucho más masiva similar a la forma en que los satélites orbitan la Tierra.

Estas galaxias suelen formar muy pocas estrellas nuevas, como mucho, y desde la década de 1970, Los astrónomos han sospechado que algo muy parecido al viento en contra podría ser el culpable:los grupos y cúmulos de galaxias no solo contienen galaxias, sino también un gas delgado bastante caliente que llena el espacio intergaláctico.

Cuando una galaxia satélite orbita a través del cúmulo a una velocidad de cientos de kilómetros por segundo, el gas delgado haría que se sintiera el mismo tipo de "viento en contra" que alguien que monta una bicicleta rápida, o moto, va a sentir. Las estrellas de la galaxia satélite son demasiado compactas para verse afectadas por el flujo constante de gas intergaláctico que se aproxima.

Pero el propio gas de la galaxia satélite no lo es:sería eliminado por el gas caliente que se aproxima en un proceso conocido como "extracción por presión de ariete". Por otra parte, una galaxia en rápido movimiento no tiene posibilidad de atraer una cantidad suficiente de gas intergaláctico, para reponer su depósito de gas. El resultado es que estas galaxias satélite pierden su gas casi por completo y, con él, la materia prima necesaria para la formación de estrellas. Como resultado, la actividad de formación de estrellas se extinguiría.

Los procesos en cuestión tienen lugar durante millones o incluso miles de millones de años, por lo que no podemos ver cómo suceden directamente. Pero aun así, hay formas en que los astrónomos pueden aprender más. Pueden utilizar simulaciones por computadora de universos virtuales, programado para seguir las leyes de la física relevantes y comparar los resultados con lo que realmente observamos. Y pueden buscar pistas reveladoras en la "instantánea" completa de la evolución cósmica que proporcionan las observaciones astronómicas.

Annalisa Pillepich, un líder de grupo en el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA), se especializa en simulaciones de este tipo. El conjunto de simulaciones IllustrisTNG, que ha codirigido Pillepich, proporciona los universos virtuales más detallados hasta la fecha, universos en los que los investigadores pueden seguir el movimiento del gas a escalas comparativamente pequeñas.

IllustrisTNG proporciona algunos ejemplos extremos de galaxias satélites que han sido despojadas recientemente por la presión del ariete:las llamadas "galaxias medusas, "que están arrastrando los restos de su gas como las medusas están arrastrando sus tentáculos. De hecho, identificar todas las medusas en las simulaciones es un proyecto de ciencia ciudadana lanzado recientemente en la plataforma Zooniverse, donde los voluntarios pueden ayudar con la investigación de ese tipo de galaxia recién apagada.

Pero, mientras que las galaxias medusas son relevantes, no son donde se inició el presente proyecto de investigación. Durante el almuerzo en noviembre de 2019, Pillepich contó uno diferente de sus resultados de IllustrisTNG a Ignacio Martín-Navarro, un astrónomo especializado en observaciones, que estaba en MPIA con una beca Marie Curie. Un resultado sobre la influencia de los agujeros negros supermasivos que llegaron más allá de la galaxia anfitriona, en el espacio intergaláctico.

Estos agujeros negros supermasivos se pueden encontrar en el centro de todas las galaxias. La materia que cae sobre un agujero negro de este tipo normalmente se convierte en parte de un llamado disco de acreción giratorio que rodea al agujero negro. antes de caer en el propio agujero negro. Esta caída sobre el disco de acreción libera una enorme cantidad de energía en forma de radiación, y muchas veces también en forma de dos chorros de partículas que se mueven rápidamente, que se aceleran alejándose del agujero negro en ángulo recto con el disco de acreción. Un agujero negro supermasivo que emite energía de esta manera se llama Núcleo Galáctico Activo, AGN para abreviar.

Si bien IllustrisTNG no es lo suficientemente detallado como para incluir chorros de agujeros negros, contiene términos físicos que simulan cómo un AGN agrega energía al gas circundante. Y como mostró la simulación, que la inyección de energía provocará salidas de gas, que a su vez se orientarán por un camino de menor resistencia:en el caso de galaxias de disco similares a nuestra propia Vía Láctea, perpendicular al disco estelar; para las llamadas galaxias elípticas, perpendicular a un plano preferido adecuado definido por la disposición de las estrellas de la galaxia.

Tiempo extraordinario, las salidas de gas bipolar, perpendicular al disco o plano preferido, llegará tan lejos como para afectar el entorno intergaláctico, el gas delgado que rodea la galaxia. Alejarán el gas intergaláctico, cada salida crea una burbuja gigantesca. Fue este relato lo que hizo pensar a Pillepich y Martín-Navarro:si una galaxia satélite pasara a través de esa burbuja, ¿se vería afectada por el flujo de salida? ¿Y su actividad de formación estelar se apagaría aún más?

Martín-Navarro abordó esta cuestión dentro de sus propios dominios. Tenía una amplia experiencia en el trabajo con datos de una de las encuestas sistemáticas más grandes hasta la fecha:Sloan Digital Sky Survey (SDSS), que proporciona imágenes de alta calidad de gran parte del hemisferio norte. En los datos disponibles públicamente del décimo dato de esa encuesta, examinó 30, 000 grupos y cúmulos de galaxias, cada una contiene una galaxia central y un promedio de 4 galaxias satélite.

En un análisis estadístico de esos miles de sistemas, encontró un pequeño, pero marcada diferencia entre las galaxias satélites que estaban cerca del plano preferido de la galaxia central y los satélites que estaban marcadamente arriba y abajo. Pero la diferencia fue en la dirección opuesta que los investigadores esperaban:satélites por encima y por debajo del avión, dentro de las burbujas más delgadas, en promedio no eran más probables, pero aproximadamente un 5% menos de probabilidades de haber tenido su actividad de formación de estrellas apagada.

Con ese sorprendente resultado, Martín-Navarro volvió a Annalisa Pillepich, y los dos realizaron el mismo tipo de análisis estadístico en el universo virtual de las simulaciones IllustrisTNG. En simulaciones de ese tipo, después de todo, La evolución cósmica no la ponen "a mano" los investigadores. En lugar de, el software incluye reglas que modelan las reglas de la física para ese universo virtual de la manera más natural posible, y que también incluyen condiciones iniciales adecuadas que corresponden al estado de nuestro propio universo poco después del Big Bang.

Es por eso que simulaciones como esa dejan espacio para lo inesperado, en este caso particular, por redescubrir el avión, Distribución fuera del plano de las galaxias satélites apagadas:¡El universo virtual mostró la misma desviación del 5% para la extinción de las galaxias satélites! Evidentemente, los investigadores estaban en algo.

A tiempo, Pillepich, Martín-Navarro y sus colegas propusieron una hipótesis sobre el mecanismo físico detrás de la variación de extinción. Considere una galaxia satélite que viaja a través de una de las burbujas más diluidas que el agujero negro central ha soplado hacia el medio intergaláctico circundante. Debido a la menor densidad, esa galaxia satélite experimenta menos viento en contra, menos presión de ariete, y, por lo tanto, es menos probable que se elimine el gas.

Luego, depende de las estadísticas. Para las galaxias satélite que ya han orbitado las mismas galaxias centrales varias veces, atravesando burbujas, sino también las regiones de mayor densidad en el medio, el efecto no se notará. Tales galaxias habrán perdido su gas hace mucho tiempo.

Pero para las galaxias satélite que se han unido al grupo, o racimo, bastante recientemente, la ubicación marcará la diferencia:si esos satélites aterrizan primero en una burbuja, es menos probable que pierdan el gas que si caen fuera de una burbuja. Este efecto podría explicar la diferencia estadística de las galaxias satélite apagadas.

Con la excelente concordancia entre los análisis estadísticos de las observaciones SDSS y las simulaciones IllustrisTNG, y con una hipótesis plausible de un mecanismo, este es un resultado muy prometedor. En el contexto de la evolución de las galaxias, es particularmente interesante porque confirma, indirectamente, El papel de los núcleos galácticos activos no solo calienta el gas intergaláctico, pero activamente "alejándolo", para crear regiones de menor densidad. Y como ocurre con todos los resultados prometedores, ahora hay una serie de direcciones naturales que Martín-Navarro, Pillepich y sus colegas u otros científicos pueden aprovechar para explorar más.