Agujeros negros supermasivos y su efecto en la formación estelar en galaxias

Figura 1: Composición de imágenes en el óptico, submilimétrico y

rayos X de Centauro A, galaxia masiva que alberga un agujero 

negro supermasivo activo (AGN). Crédito: ESO/WFI 

(óptico); MPIfR/ESO/APEX/A. Weiss et al. (submili-

métrico); NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (rayosX).

Hace unos meses, Ignacio Martín-Navarro, primer autor del artículo que hoy nos interesa, me comentaba que tenía en mente estudiar el posible efecto que el agujero negro supermasivo central tenía en las historias de formación estelar de galaxias "grandotas" (vamos, cómo estas galaxias han formado estrellas desde su comienzo). El resultado nos sorprendió enormemente, por lo que decidimos intentar publicar en Nature, toda una experiencia de la que algún día también hablaré. A continuación os muestro todos los detalles y la importancia del hallazgo en una versión de la nota de prensa publicada por el Instituto de Astrofísica de Canarias (centro en el que trabajo actualmente). 

Los centros de las galaxias masivas son unas de las regiones más exóticas del Universo, albergando agujeros negros supermasivos con masas que pueden rondar los millones e incluso los miles de millones de masas solares. Éstos son capaces de inducir la caída de un montón de materia hacia ellos, produciendo así la emisión de enormes cantidades de energía hasta que este material acaba formando parte del agujero negro. Durante este período (fase activa de la galaxia o AGN, siglas en inglés de Active Galactic Nucleus) además se eyecta material hacia el exterior en forma de chorros a altas velocidades (relativistas) capaces de producir violentos choques con el material que lo rodea (ver figura 1).

Figura 2: Relación existente entre la masa del agujero negro central

y la dispersión de velocidades para las galaxias analizadas en este

estudio. Se aprecia la correlación creciente (galaxias cuya disper-

sión de velocidades es mayor tienen agujeros negros centrales más 

masivos).  Así, dividimos nuestra muestra en galaxias con aguje-

ros negros más masivos de lo "normal" (rojo), con agujeros negros 

"normales" (naranja) o con agujeros negros menos masivos (azul) 

según si están por encima, por debajo o en la relación. 

Desde hace un tiempo se ha pensado que toda esta emisión (luz y partículas) hacia las partes más externas, así como el crecimiento del agujero negro central, debía de dificultar la formación de nuevas estrellas en galaxias masivas. Esta influencia nos permitiría explicar así relaciones como la existente entre la masa del agujero negro central y la masa total estelar (ver figura 2). De hecho, sin esta "retroalimentación" (del inglés "feedback"), simulaciones de formación y evolución de galaxias masivas fallan drásticamente tanto en reproducir las propiedades de éstas (salían bulbos muy muy grandes) como en el número de galaxias predichas de una masa determinada (demasiadas galaxias pequeñitas). Sin embargo, aunque ampliamente buscada, hasta la fecha no había ninguna evidencia observacional en favor de esta idea cada vez más asentada y establecida. Pero para eso estamos nosotros ;)

En este trabajo analizamos los espectros centrales de 74 galaxias masivas con el fin de obtener cómo el ritmo de formación estelar en estos sistemas ha cambiado a lo largo de su vida (historia de formación estelar). Para ello utilizamos códigos que nos permiten comparar espectros observados con aquellos predichos por modelos de evolución estelar. De esta manera, podemos saber cuántas estrellas de diversas edades habitan cada una de las galaxias observadas.

Como resultado de este análisis encontramos distintas historias de formación estelar para galaxias que albergan agujeros negros de diversas masas. Este hallazgo sugiere de manera clara que, efectivamente, agujeros negros supermasivos centrales son capaces de afectar a la formación estelar a lo largo de toda la galaxia, pero además que dicho efecto neto depende de la masa de los mismos.  

El resultado fundamental se muestra en la figura 3, pero aquí os lo detallo: Parece que galaxias con agujeros negros más masivos en sus centros formaron más estrellas al principio que llevaron a su vez a la formación de un agujero negro más masivo, capaz de frenar dicha formación estelar en estos sistemas. Por el contrario, galaxias con agujeros negros menos masivos formaron estrellas al principio más lentamente, empezando además con una menor eficiencia de formación estelar. Tanto es así que galaxias con agujeros negros centrales más masivos formaron la mayoría de su masa (95%!!) hasta 4 mil millones de años antes que en el caso de las galaxias con agujeros negros menos masivos. De la misma manera, la formación estelar más reciente (durante los últimos 700 millones de años) es mayor en el caso de galaxias con agujeros negros menos masivos.

Figura 3: Evolución de la formación estelar a lo largo del tiempo cósmico.
Siguiendo el código de color anteriormente explicado, mostramos las histo-
rias de formación estelar promedias de galaxias con agujeros negros super-
masivos, "normales" y poco masivos. Estas historias de formación estelar
nos representan cómo ha evolucionado la formación de nuevas
estrellas con el tiempo.

El hecho de que la masa de estos agujeros negros esté relacionado con la cantidad de materia y energía emitida en su fase AGN (aspecto conocido y bien conocido), unido con los resultados aquí obtenidos, confirma un sencillo escenario previamente establecido y que gracias a este estudio se ve claramente reforzado. Para la formación eficiente de estrellas necesitamos gas y polvo frío; sin embargo, la energía y partículas emitidas desde la zona central de una galaxia en su fase de AGN es capaz de calentar el medio que encuentra a su paso, disminuyendo así la posibilidad de formación estelar. A mayor emisión (que es sinónimo de mayor masa de agujero negro central), menor será la eficiencia de la galaxia anfitriona para formar estrellas. Esto explica fácilmente que galaxias con agujeros negros más masivos vean antes suprimida su formación estelar inicial así como que la formación estelar reciente no sea favorecida. 

Estos resultados son de una importancia clave en astrofísica y han sido buscados durante los últimos 20 años, ofreciendo así evidencias observacionales a hipótesis ya aceptadas sobre la formación y evolución de galaxias. Y así os hago a vosotros también partícipes de esta investigación porque, no lo olvidéis, trabajamos para que TODOS y TODAS entendamos el Universo que nos rodea, y no sólo una minoría.

Para más información:
1- "Black-hole-regulated star formation in massive galaxies", 2018, Martín-Navarro, Ignacio; Brodie, J.P.; Romanowsky, A.J.; Ruiz-Lara, Tomás; van de Ven, G. Nature, 553, 307-309 (18-enero-2018).