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astrofísica

El secreto de Perseo

Simulaciones ayudan a explicar la elevada temperatura del gas existente en aglomerados de galaxias

NASA / ESA / STSCL (L. FRATTARE)Una galaxia gorda, antigua y decadente, que parece haber tomado prestado el gas de sus vecinas para volver a fabricar estrellas, está ayudando a un grupo de astrónomos a descifrar los misterios de los aglomerados de galaxias, los ladrillos que forman las mayores estructuras del Universo. Con su forma de esfera achatada, esa galaxia se ubica en la dirección de la constelación de Perseo, el mitológico héroe griego que decapitó a Medusa, y es inmensa: alberga de10 a100 veces más materia que nuestra galaxia –la Vía Láctea, formada por alrededor de 200 mil millones de estrellas– y mantiene a otras aprisionadas en el campo gravitacional que la rodea. Conocido como aglomerado de Perseo, este grupo de galaxias tiene una característica peculiar que desde hace tiempo intriga a quienes lo estudian: es permeado por una gigantesca nube de gas muy enrarecido y caliente, con algunas zonas que exhiben temperaturas mucho más elevadas que las esperables.

Las leyes de la física prevén que a medida que el gas de las galaxias vecinas es atraído por la gravedad rumbo a la galaxia central –en este caso, la NGC 1275, ubicada a 235 millones de años luz de la Tierra–, su densidad aumenta, en tanto que su temperatura disminuye acentuadamente. “Como el gas se vuelve más denso cerca del centro del aglomerado, las partículas que lo forman colisionan más fácilmente entre sí y pierden energía bajo la forma de radiación”, explica la astrofísica Elisabete de Gouveia Dal Pino, quien ha venido estudiando el aglomerado de Perseo durante los últimos años. De este modo, cuanto mayor es la densidad y la proximidad de la galaxia central, más frío ha de ser el gas. Pero no es precisamente eso lo que sucede con  Perseo.

La temperatura del gas del aglomerado llega a disminuir, es cierto. Pero no tanto como –ni cuanto– debería. Mediciones realizadas por telescopios instalados en la Tierra y en el espacio revelaron que pasa de casi 10 millones de grados en las regiones más distantes de la NGC1275 aalrededor de 3 millones de grados más o menos a mitad de camino. Y luego se estabiliza, cuando lo esperable era que se redujese algunas centenas de miles de grados. Este efecto solamente se justificaría si algo estuviera recalentando el gas en la región más central del aglomerado, equilibrando así la pérdida de calor.

Desde hace algún tiempo, los investigadores incluso apuntan un postulante: un gigantesco agujero negro, con una masa equivalente a la de centenas de millones de estrellas como el Sol, ubicado bien en el centro de la NGC 1275. Los agujeros negros son objetos tan densos y compactos que impiden que cualquier cosa escape de su superficie, incluso la luz. Pero en sus adyacencias es liberada mucha energía. Antes de ser succionada y absorbida, la materia que se espirala alrededor del agujero negro es acelerada por la gravedad. Parte de ella, con la ayuda de campos magnéticos, escapa en dos haces estrechos que salen de los polos del agujero negro, originando chorros de partículas que se desplazan a velocidades cercanas a la de la luz. Esos chorros emiten ondas de radio que son detectadas por los astrónomos.

Imágenes tomadas con base en otra forma de radiación, los rayos X, mostraban que las proximidades del agujero negro de la NGC 1275 –la región del espacio también conocida como núcleo galáctico activo, por emitir más energía que el resto de la galaxia– liberaban energía suficiente como para mantener al gas caliente en la región más central del aglomerado. Pero algo era un misterio: ¿de qué manera las temperaturas del gas podían ser más o menos homogéneas, si los chorros de radiación generados a partir del aguero negro eran tan estrechos?

DIEGO GONÇALVES / UNICSUL E NASA / CXCOAl llevar adelante simulaciones en computadoras, el grupo coordinado por Elisabete Dal Pino y Zulema Abraham, investigadoras del Instituto de Astronomía, Geo­física y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP), con sede en la capital paulista, encontró una posible respuesta. “Las temperaturas podrían ser las observadas en caso de que el núcleo galáctico activo estuviera en precesión [una alteración en la inclinación del eje de rotación]”, afirma Elisabete. La idea puede traducirse así: para mantener la temperatura aproximadamente homogénea, es necesario que el eje de rotación del objeto central varíe de inclinación y los chorros oscilen distribuyendo mejor la energía. O de una manera más sencilla, esto puede suceder si el agujero negro se bambolea como un trompo que pierde velocidad.

Las simulaciones realizadas por Diego Falceta-Gonçalves, de la Universidad Cruzeiro do Sul (Unicsul), de São Paulo, produjeron resultados similares a los observados en la naturaleza cuando el ángulo de variación del eje era grande: de 60 grados. En el artículo de Astrophysical Journal Letters en donde presentaron los resultados a comienzos de 2010, los investigadores lo explican: como los chorros oscilan con el tiempo, la energía liberada es aproximadamente igual en todas las direcciones. Es como si los haces de radiación funcionasen como las aspas de una batidora que mezclan os ingredientes de una torta para homogeneizar la masa. Pero puede no ser ésta la única explicación.

A mediados de 2008, Elisabete Dal Pino visitaba la Universidad de Wisconsin en Madison, Estados Unidos, cuando el astrónomo norteamericano John Gallagher le mostró un resultado que había acabado de obtener y ni siquiera había publicado. Gallagher y su grupo habían realizados mediciones de los filamentos de gas que existen alrededor de la NGC 1275. “Se mostró intrigado porque obtuvieron mapas de las velocidades de los filamentos y se dieron cuenta de que algunos de ellos estaban alejándose de la galaxia, y no acercándose, como sería de esperarse”, comenta la astrofísica.

El resultado, publicado al año siguiente en Nature, era una medición inesperada. Indicaba que alguna fuerza estaba contrabalanceando a la gravedad y empujando al gas hacia afuera de la NGC 1275. Asimismo, fuerzas magnéticas hacían que los filamentos se arqueasen. Era poco probable que el núcleo galáctico activo, por más poderoso que fuera, estuviera produciendo el fenómeno solo. ¿Qué estaría sucediendo?

“Fue entonces cuando se me ocurrió la idea de las supernovas”, dice la investigadora brasileña. Supernova es el nombre que se le asigna a una estrella con una masa sumamente elevada que ha consumido todo su combustible y ha explotado. Es uno de los eventos más energéticos del Universo. Una serie de supernovas podría explicar el formato de los filamentos ubicados alrededor de la galaxia central del aglomerado. El único problema es que las supernovas recientes implican una formación estelar reciente. Y una galaxia como la NGC 1275 no tiene más materia prima como para fabricar estrellas con masa elevada.

En otra serie de simulaciones, en este caso en asociación con John Gallagher y Alex Lazarian, ambos de Wisconsin, Falceta-Gonçalves y Elisabete demostraron que el gas en caída proveniente de las galaxias vecinas podría producir una onda de choque en la superficie de la NGC 1275 y generar un súbito episodio de formación estelar. Las estrellas con mucha masa queman su combustible más rápidamente que astros menores como el Sol, que necesitan miles de millones de años para agotarlo. Por eso, podría haber una ola de explosiones de supernovas unos pocos millones de años después del proceso de formación estelar.

Con auxilio de computadoras, los investigadores reprodujeron lo que sucedía 120 millones de años  –simulados, naturalmente– después del nacimiento de las estrellas. Ese trabajo, también publicado en Astrophysical Journal Letters, indicó que la interacción entre la radiación emitida por el núcleo galáctico activo y las turbulencias generadas por las supernovas produce un patrón de filamentos muy parecido al que se observa alrededor de la NGC 1275. “Cada simulación, en resolución máxima, de 100 millones de píxeles, tarda alrededor de 20 días para culminar”, comenta Falceta-Gonçalves, quien lideró la mayor parte de las pruebas y es el primer autor de los artículos.

Estos trabajos exhiben sin dudas explicaciones plausibles para los misterios de la NGC 1275. Pero, ¿cómo saber cuál es la real causa de la distribución homogénea de temperatura del gas y de los filamentos observados alrededor de la galaxia? Una de las formas de comprobar estas explicaciones sería buscar, mediante el empleo de telescopios, señales dejadas por estrellas de  masa sumamente elevada, y por supernovas, en las zonas más externas de la NGC 1275. Otra estrategia, más al alcance del equipo brasileña, consiste en realizar nuevas simulaciones, en este caso combinando el efecto de la precesión del núcleo galáctico activo con la explosión de las supernovas en los bordes de la galaxia y verificar qué sucede.

De todas maneras, se ha avanzado un poco más en la comprensión de la dinámica de los aglomerados de galaxias como el de Perseo y, por extensión, del aglomerado del cual forma parte la Vía Láctea. Estos ladrillos del Universo, que en una escala mayor se organizan en superaglomerados, guardan aún muchos secretos. Pero, por suerte, los astrónomos no desisten fácilmente.

Los proyectos
1. Investigation of high energy and plasma astrophysics phenomena: theory, observation, and numerical simulations (nº 2006/50654-3); Modalidad Proyecto Temático; Coordinadora Elisabete de Gouveia Dal Pino – IAG-USP; Inversión R$ 342.429,60
2. Estudio numérico de plasmas magnetizados colisionales y no colisionales en astrofísica (nº 2009/10102-0); Modalidad Ayuda Regular a Proyecto de Investigación; Coordinador Diego Falceta-Gonçalves – Unicsul; Inversión R$ 110.400,00

Artículos científicos
FALCETA-GONÇALVES, D. et al. Turbulence and the formation of filaments, loops and shock fronts in NGC 1275. The Astrophysical Journal Letters. v. 708 (1), p. L57-L60. 1 ene. 2010.
FALCETA-GONÇALVES, D. et al. Precessing jets and X-ray bubbles from NGC 1275 (3C84) in the Perseus galaxy cluster: a view from 3D numerical simulations. The Astrophysical Journal Letters. v. 713 (1), p. L74-L78. 10 abr. 2010.

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