¿Qué es un cuásar? La respuesta depende de tu punto de vista

Cuando una galaxia entra en erupción, lo que vemos depende de cómo la vemos

Por Phil Plait editado por Lee Billings

De pie en la Tierra y contemplando el cielo nocturno, uno pensaría que nuestra galaxia, la Vía Láctea, está relativamente tranquila. Oh, claro, hay supernovas ocasionales y un poco de inquietud cuando enormes nubes de gas chocan y comienzan a formar estrellas. Pero en conjunto, el vasto vecindario cósmico en el que vivimos parece majestuoso. La mayoría de las galaxias cercanas que podemos ver también se ven de esa manera, simplemente ocupándose silenciosamente de sus asuntos cósmicos. Tranquilo.

Pero ese no es el caso de todas las galaxias. Centaurus A es un bicho raro demasiado entusiasta a aproximadamente 13 millones de años luz de la Tierra. Parece ser una galaxia elíptica con forma de bola de algodón redondeada pero con una llamativa franja oscura en el centro. En la década de 1940, los astrónomos descubrieron que inexplicablemente emitía ondas de radio desde su núcleo, y estudios posteriores a lo largo de las décadas siguientes demostraron que su centro también emitía rayos X de alta energía e incluso rayos gamma. Claramente, Centaurus A tiene mucho más en juego de lo que sospecharías a primera vista. Los observadores finalmente encontraron muchos otros objetos similares, a los que colectivamente se les dio el nombre general de galaxias Seyfert (en honor al astrónomo estadounidense Carl Seyfert, quien descubrió varias de ellas).

Luego, en la década de 1960, las cosas se pusieron más raras. Los astrónomos comenzaron a descubrir objetos que emitían potentes ondas de radio pero, a diferencia de la mayoría de las galaxias Seyfert, eran muy débiles en luz visible. Muchos de esos objetos recién descubiertos estaban increíblemente lejos y, por lo tanto, eran extremadamente luminosos, pero se parecían tanto a las estrellas que fueron denominados fuentes de radio cuasi estelares, o cuásares para abreviar. Las imágenes profundas tomadas con grandes telescopios revelaron que cada quásar observado era un punto central de luz extraordinariamente brillante que eclipsaba drásticamente a una galaxia circundante mucho más débil.

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Mientras los astrónomos se concentraban en los misterios de los quásares, otra galaxia que exhibía un tipo diferente de comportamiento extraño llamó su atención: BL Lacertae (o BL Lac para abreviar). A casi mil millones de años luz de distancia, también es una potencia ridículamente luminosa, pero sorprendentemente también cambia dramáticamente su brillo en cortos períodos de tiempo, a veces solo unas pocas horas. Fue la primera de una clase de galaxias a las que se dio el nombre de blazares, una inteligente combinación triple de BL Lac, blazing y quasar. Al igual que los Seyferts y los quásares, la mayor parte de su luz proviene de sus mismos centros. Juntos, los tres sabores se agrupan en una categoría amplia llamada núcleos galácticos activos, o AGN para abreviar.

No les llevó mucho tiempo a los astrónomos descubrir qué podría impulsar una emisión de energía tan feroz y concentrada: un agujero negro supermasivo devorando mucha materia. Aún así, si este es el motor detrás de todos los AGN, ¿por qué los quásares, Seyferts y blazares parecen tan diferentes entre sí?

En la década de 1990, a los astrónomos se les ocurrió una idea brillante para unificar estas características dispares. Si bien existe cierta diversidad física real entre estas galaxias, la mayoría de sus diferentes propiedades podrían explicarse más por cómo las vemos.

Lo digo literalmente: el ángulo en el que vemos sus centros afecta en gran medida la luz resultante que vemos. Comprender por qué ocurre esto se reduce esencialmente a qué está sucediendo exactamente cerca de ese agujero negro supermasivo central.

Lejos del agujero negro, a miles o decenas de miles de años luz, se encuentra una galaxia relativamente normal no muy diferente de la Vía Láctea. Pero más cerca, donde predomina la gravedad del agujero negro, las cosas son muy diferentes.

Inmediatamente rodeando al monstruoso agujero negro hay un disco plano de materia (llamado disco de acreción) del que se alimenta. Este disco de acreción puede extenderse por varios billones de kilómetros, una fracción decente de un año luz, y hace calor. El material muy cerca del agujero negro orbita a velocidades cercanas a la de la luz, pero más lejos, el material se mueve mucho más lentamente. Esto crea una inmensa fricción en el disco que puede calentar la materia hasta millones de grados. A esta temperatura y densidad, el material es increíblemente brillante y puede eclipsar fácilmente a todas las estrellas de la galaxia.

El disco tiene un intenso campo magnético incrustado en él. A medida que la materia del disco se acerca al agujero negro y aumenta su velocidad orbital, el campo magnético incrustado puede enrollarse como hilo alrededor de un carrete. Esto fortalece aún más el campo magnético, que puede volverse tan poderoso (junto con un efecto extraño llamado arrastre de marco en el que el propio giro del agujero negro arrastra el tejido del espacio-tiempo a su alrededor) que el material es expulsado del disco y explotado en un par de rayos llamados chorros. Estos chorros están altamente enfocados y son tremendamente poderosos, y pueden crear inmensas ondas de choque internas que a su vez desencadenan torrentes de rayos gamma, la forma de luz de mayor energía en el cosmos. Los chorros pueden fluir a lo largo de cientos de miles de años luz en algunos casos, extendiéndose mucho más allá de la propia galaxia.

Fundamentalmente, más lejos del disco de acreción y los chorros, en una escala de decenas a cientos de años luz de diámetro en algunos casos, hay un toro de polvo, una nube con forma de rosquilla de pequeños granos de roca y material carbonoso. Esta sustancia es densa y opaca a la luz visible y, si es lo suficientemente espesa, también puede bloquear formas de radiación de mayor energía.

En el modelo unificado de AGN, el ángulo en el que vemos estas estructuras explica casi todo lo que vemos. Si los chorros apuntan más o menos hacia la Tierra, vemos luz de todo el espectro electromagnético, desde rayos gamma hasta ondas de radio. Esos son los blazares. Si vemos un AGN en un ángulo ligeramente más bajo, entonces el chorro apunta hacia otro lado y las emisiones de rayos gamma en forma de haz no nos alcanzan, pero aún podemos detectar rayos X de alta energía; Estos son los quásares.

En ángulos aún más bajos, el toroide de polvo comienza a bloquear la luz de mayor energía para que no llegue a nosotros. En estos casos, gran parte de la emisión de un AGN está tan atenuada que la galaxia que lo rodea es más fácilmente visible. Estos son los Seyfert, y tienden a ser brillantes en ondas de radio e infrarrojos porque su polvo es calentado por el brebaje infernal más cercano al centro, produciendo radiación térmica infrarroja.

La situación es un poco como la parábola de los ciegos y el elefante: lo que crees que ves depende de qué parte estás viendo, y sólo cuando juntas las piezas emerge la verdadera imagen. Para las galaxias activas, el modelo unificado explica bien las amplias diferencias entre las clases de galaxias observadas.

Sin embargo, para ser honesto, el modelo unificado no explica todo y puede tener dificultades para reproducir muchos detalles que vemos. Pero eso no es sorprendente: cualquier modelo será incompleto y no explicará cada cosa que se encuentre en cada observación. La idea es tener una idea general de los procesos y estructuras involucrados para explicar la mayor parte de lo que se ve. Luego se pueden introducir extensiones al modelo para explicar los valores atípicos.

¿Y qué pasa con nuestra propia Vía Láctea? Tenemos un agujero negro supermasivo en el corazón de nuestra galaxia, pero como muchos de nuestros vecinos galácticos, está inactivo, lo que significa que actualmente no se está alimentando de materia. La palabra clave es “actualmente”: es probable que en un pasado distante el agujero negro central de la Vía Láctea también se haya saciado episódicamente de materia, cada vez en erupción como un AGN. Y como tendemos a ver AGN a grandes distancias (cuando el universo era más joven), esto implica que la mayoría de las galaxias grandes tienen una juventud igualmente tempestuosa. Pero, afortunadamente, por ahora estamos en paz.