Los astrónomos están utilizando la Misión de Espectroscopía e Imágenes de Rayos X (XRISM) para lograr avances clave en un problema que durante mucho tiempo ha desconcertado a la comunidad cosmológica: por qué algunas galaxias masivas contienen muchas menos estrellas de lo que teóricamente se esperaba. La respuesta dada por las últimas investigaciones de la Universidad de Michigan es que el agujero negro supermasivo ubicado en el centro de la galaxia expulsará el material gaseoso necesario para generar nuevas estrellas fuera de la galaxia a través de un fuerte "viento galáctico", inhibiendo así la formación estelar.
Según los modelos actuales de formación y evolución de galaxias, este tipo de galaxia gigante debería haber tenido una masa y un número de estrellas mucho mayores. Sin embargo, los datos de observación muestran que muchas galaxias en realidad están obviamente "faltas de estrellas". El equipo de investigación señaló que cuando el material alrededor del agujero negro se calienta violentamente y se acelera alejándolo de la galaxia, el gas frío utilizado para generar continuamente nuevas estrellas dentro de la galaxia se consume o se elimina en grandes cantidades. Este proceso de retroalimentación puede ser la causa principal de la "escasez de estrellas".
En la memoria popular, la característica más llamativa de un agujero negro es su gravedad extremadamente poderosa. Una vez que la materia cruza el horizonte de sucesos, ni siquiera la luz puede escapar. Pero fuera del horizonte de sucesos, a menudo hay un disco de acreción denso y de alta temperatura compuesto de gas y polvo alrededor del agujero negro. La materia continúa girando en espiral hacia adentro en el disco, y la enorme energía generada por la conversión de la fricción y la energía potencial gravitacional arrancará los electrones de los átomos, formando un ambiente de plasma extremadamente caliente, y bajo la acción de fuertes campos magnéticos y dinámicas, la materia será arrojada hacia afuera a gran velocidad en forma de viento. Si estos vientos son lo suficientemente fuertes, pueden expulsar grandes cantidades de gas interestelar lejos del disco de la galaxia, debilitando fundamentalmente la capacidad de la galaxia para continuar formando estrellas.
XRISM es una misión científica espacial dirigida por la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón e implementada en cooperación con la NASA y la Agencia Espacial Europea. Se lanzará en 2023 y lanzará oficialmente observaciones científicas en el otoño de 2024. En comparación con los equipos de observación de rayos X de la generación anterior, XRISM mejora la resolución de la energía de los rayos X unas diez veces, lo que permite a los astrónomos analizar la estructura detallada y los procesos dinámicos de los entornos celestes de alta energía con mayor precisión. Xiang Xinyi (nombre en inglés: Cindy Xiang), estudiante de doctorado en astronomía de la Universidad de Michigan, utilizó datos XRISM para obtener por primera vez una "sección" de alta resolución de la estructura del viento de salida del disco de acreción de un agujero negro, proporcionando fuerte evidencia observacional para la teoría de que los agujeros negros supermasivos regulan la evolución de las galaxias.
En una investigación específica, Xiang Xinyi y su equipo seleccionaron NGC 4151, una galaxia brillante a poco más de 50 millones de años luz de la Tierra, como objeto de laboratorio. Hay un núcleo galáctico activo en el centro de la galaxia, y el agujero negro supermasivo se encuentra en la etapa de devorar violentamente la materia circundante. El brillante disco de acreción resultante es muy adecuado para estudiar la formación y evolución de vientos de salida de alta velocidad. Gracias a la alta resolución espectral de XRISM, los investigadores pudieron obtener la información más rica hasta la fecha sobre la estructura del viento en esta fuente brillante y correlacionarla finamente con la geometría y las condiciones físicas del disco de acreción.
Anteriormente, en colaboración con Jon Miller, profesor de astronomía de la Universidad de Michigan, Xiang Xinyi demostró que el viento generado por el disco de acreción de NGC 4151 es lo suficientemente rápido como para expulsar material directamente de la galaxia. Un análisis más detallado apunta a un mecanismo llamado "accionamiento centrífugo magnético", es decir, bajo la acción combinada del campo magnético y la rotación en el disco, la materia es "expulsada" fuera del sistema a lo largo de las líneas del campo magnético. Este proceso tiene similitudes físicas con algunos de los mecanismos desencadenados por las erupciones solares. Los últimos datos de XRISM brindan un respaldo más sólido para este modelo impulsor, brindando a los científicos una comprensión más clara de cómo los agujeros negros, a través de sus campos magnéticos y rotación, convierten la materia local en "vientos" que cambian galaxias enteras.
En la 248ª Reunión Anual de la Sociedad Astronómica Estadounidense de este año en Pasadena, California, Xiang Xinyi anunció un nuevo método de análisis para determinar cuándo estos "vientos moldeadores" en NGC 4151 comenzaron a activarse. Si los astrónomos pueden bloquear con precisión la ventana de tiempo cuando el viento es más fuerte, pueden esperar realizar observaciones específicas en otras galaxias activas, "capturar" eventos similares de flujos de salida de alta velocidad con una mayor probabilidad y luego restaurar gradualmente el verdadero calendario de la influencia de los agujeros negros supermasivos en la evolución de las galaxias.
Teniendo en cuenta que la intensidad y la estructura del viento de salida del núcleo galáctico activo pueden cambiar significativamente con el tiempo, el equipo clasificó sistemáticamente los datos de observación de varios días de NGC 4151 proporcionados por XRISM. Primero buscaron momentos en series temporales largas en las que el brillo de los rayos X de las galaxias alcanzaba su punto máximo, conocidos como eventos de llamaradas, y continuaron rastreando la evolución de la señal a lo largo del tiempo en las horas siguientes a estas llamaradas. Además de los cambios en el brillo, los investigadores también se centraron en la "dureza" de los rayos X recibidos, una propiedad similar al "color" de la luz visible que refleja diferencias en la distribución de la energía de la radiación.
Después de integrar la información de brillo y dureza, el equipo propuso un nuevo índice cuantitativo para caracterizar el estado de radiación de la fuente en un momento determinado, y finalmente lo denominó "índice de intensidad de cromaticidad" (Miller recomendó con humor la abreviatura en inglés como "cindicity", que es homófona al nombre en inglés de Xiang Xinyi). Xiang Xinyi dijo que el escenario de aplicación previsto es que en el futuro, si un investigador informa el valor de cindicidad actual de una fuente activa, podrá dar una estimación de probabilidad de si hay un viento de salida de alta velocidad en la fuente, condensando así información de observación multidimensional compleja en un parámetro operable y comparable.
Mediante este método, el equipo encontró un resultado bastante inesperado en los datos de NGC 4151: los vientos de salida más fuertes y más rápidos tienden a ocurrir en etapas cuando los rayos X son más intensos pero el brillo general no es sobresaliente. En otras palabras, los vientos reales de alta velocidad no acompañan directamente al pico de la llamarada, sino que normalmente alcanzan su punto máximo unos 10.000 segundos (casi 3 horas) después de que termina la llamarada. Este retraso de aproximadamente 3 horas establece la primera correlación temporal directa entre los cambios en la radiación de rayos X y el viento de salida del agujero negro, proporcionando pistas importantes para comprender cómo se convierte la energía de la radiación local en un flujo de material a gran escala.
En el marco de la evolución de las galaxias, estas correlaciones temporales tienen profundas implicaciones. Esto significa que la actividad a corto plazo del agujero negro central puede desencadenar eventos de viento en la escala horaria que son suficientes para remodelar la distribución del gas de toda la galaxia, cambiando así la historia de formación estelar de la galaxia en una escala temporal más larga. Con el mayor desarrollo de XRISM y futuras misiones de observación de rayos X más avanzadas, se espera que los científicos establezcan conexiones temporales similares de "radiación-viento" en galaxias más activas, mejorando gradualmente la imagen general de cómo los agujeros negros supermasivos dan forma a la estructura a gran escala del universo a través de la retroalimentación de energía.