Primeras líneas de emisión desde las afueras del disco de acreción de un agujero negro supermasivo

Por primera vez, los distintivos picos dobles en las líneas de emisión detectados desde el corazón de una galaxia nos han dado la oportunidad de explorar los bordes del disco brillante que rodea el agujero negro central. Esto no sólo confirmó muchas cosas que sospechábamos sobre la región alrededor de los agujeros negros supermasivos, sino que también permitió realizar mediciones del disco y del propio agujero.

Los agujeros negros supermasivos y el material que gira en espiral hacia ellos, conocidos como discos de acreción, dan forma a sus galaxias, pero la mayor parte de lo que sabemos sobre ellas se basa en modelos, más que en observaciones directas. Hay demasiada obstrucción entre la Tierra y el centro de nuestra galaxia como para ver el disco allí con claridad, a pesar de los espectaculares avances realizados por el Telescopio del Horizonte de Sucesos. Mientras tanto, otras galaxias están tan lejos que no podemos resolver sus discos lo suficiente como para determinar sus límites, y mucho menos lo que sucede en los bordes exteriores.

Al menos eso pensaban los astrónomos hasta que las observaciones de la galaxia III Zw 002 arrojaron resultados considerablemente mayores de lo esperado. El espectro observado proveniente de esta galaxia a mil millones de años luz de nosotros permitió a los astrónomos brasileños medir por primera vez el tamaño del disco de acreción alrededor de un agujero negro supermasivo. También han logrado determinar su orientación con respecto a la Tierra y un poco sobre cómo se distribuyen los elementos.

Al igual que con las estrellas, los Núcleos Galácticos Activos (AGN), las regiones brillantes alrededor de los agujeros negros, producen luz en todo el espectro electromagnético a partir de su calor y tienen mayor intensidad en longitudes de onda específicas, conocidas como líneas de emisión. Las líneas de emisión son el resultado de electrones, previamente energizados a un estado excitado, que vuelven a caer a un nivel de energía más bajo.

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Cuando se libera, cada línea de emisión es específica de una longitud de onda de luz particular, distintiva de la brecha de energía en la que ha caído el electrón, que a su vez es exclusiva del elemento alrededor del cual orbita el electrón. Sin embargo, cuando la fuente se acerca o se aleja rápidamente de nosotros, la longitud de onda se desplaza.

Los gases se mueven tan rápido alrededor de un agujero negro supermasivo en rotación que las líneas de emisión de un lado se ven en longitudes de onda ligeramente más largas causadas por el movimiento, mientras que las del otro lado parecen ser ligeramente más cortas que su verdadera longitud de onda. Esto crea lo que se conoce como un doble pico a cada lado del valor normal de la línea de emisión.

Hasta ahora, estos picos dobles sólo se habían observado en las emisiones de hidrógeno en luz visible. Sin embargo, al estudiar la luz de III Zw 002 utilizando el espectrógrafo de infrarrojo cercano Gemini, Denimara Dias dos Santos se sorprendió al ver una luz de oxígeno, así como un doble pico infrarrojo de la línea de hidrógeno Paschen-alfa. Dias dos Santos, estudiante de doctorado en el Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, concluye que estas emisiones provienen de un área que abarca 18,8 días luz desde el centro del agujero negro supermasivo de la galaxia. La línea Paschen-alfa se origina un poco más adentro, en un radio de 16,8 días luz.

En comparación, la Voyager 1, el objeto creado por el hombre más distante del Sol, está a una distancia de menos de un día luz.

El disco en su conjunto, sin embargo, probablemente se extiende mucho más allá. Dias dos Santos y sus colegas estiman que la región que produce emisiones se extiende a 52,4 días luz. Es la primera estimación observacional razonablemente precisa del tamaño de dicho disco. Esa no es una distancia con la que sea fácil hacer comparaciones, ya que está más de 30 veces más allá de las órbitas de incluso los objetos más externos del Cinturón de Kuiper como "FarFarOut", pero también menos de una trigésima parte del camino hasta la estrella vecina más cercana al Sol.

"No sabíamos anteriormente que III Zw 002 tenía este perfil de doble pico, pero cuando reducimos los datos vimos el doble pico muy claramente", dijo el líder del equipo, el Dr. Alberto Rodríguez-Ardila, en un comunicado. "De hecho, redujimos los datos muchas veces pensando que podría ser un error, pero cada vez vimos el mismo resultado emocionante".

"Por primera vez, la detección de perfiles de doble pico impone restricciones firmes a la geometría de una región que de otro modo no sería posible resolver", añadió Rodríguez-Ardila.

Suponiendo que el movimiento de los gases es impulsado por la gravedad del agujero negro, el equipo estima que su masa es entre 400 y 900 millones de veces la del Sol y que el disco tiene una orientación de 18 grados con respecto a la Tierra.

El estudio se publica en acceso abierto en The Astrophysical Journal Letters.