APÉNDICE

Desde que este libro fue publicado por primera vez, ha habido avances importantes en el campo de los cuasares, avances que se han dado más en el aspecto técnico que en el teórico. Me explico: las observaciones del telescopio espacial HUBBLE (Figura 63), del satélite GRO (del inglés "Gamma Ray Observatory") y, sobre todo, del satélite infrarrojo IRAS, han proporcionado una gran cantidad de datos nuevos. Algunos apuntan a confirmar el paradigma fundamental de la generación de energía debido a un agujero negro central. Otros datos han abierto nuevas incógnitas y nos hacen pensar que el fenómeno de actividad nuclear es, por un lado, menos singular de lo que pensábamos (está presente en los núcleos de muchas galaxias —quizás todas—, aunque a niveles distintos). Por otro lado, hoy sabemos que el fenómeno es más complejo, e involucra muchos procesos físicos simultáneamente. A continuación, se hace un resumen de las ideas fundamentales del paradigma mencionado arriba, y del desarrollo reciente del tema, fundamentalmente en la línea de interacción de galaxias.

Figura 63. Imagen de la radiogalaxia NGC 4261 tomada con el telescopio espacial HUBBLE. A la izquierda, la escala es mucho mayor, se muestra la galaxia completa superpuesta a los lóbulos bilaterales de emisión en radio. A la derecha, gracias a la resolución del telescopio fuera de la atmósfera terrestre, se ve una "dona" de gas y polvo que se cree rodea al disco de acreción.

El modelo de generación de energía puede resumirse de la siguiente manera: la enorme fuerza gravitacional del agujero negro atrae material de la galaxia circundante, gas y estrellas, que por su momento angular (o cantidad de rotación) forman una especie de remolino alrededor del agujero negro. Las estrellas se destruyen previamente por la acción de fuertes fuerzas de marea al orbitar en las cercanías del agujero negro. El remolino de gas así formado (su nombre técnico es: "disco de acreción") se calienta por fricción, pudiendo radiar tanta energía como un billón de soles y, sin embargo, sus dimensiones son apenas mayores a las del sistema solar. La mayor parte del material acaba cayendo y desapareciendo en el agujero negro. Justo antes de desaparecer para siempre "detrás" del horizonte de eventos, cada partícula emite una fuerte cantidad de radiación adicional proveniente de la conversión de su energía de amarre en la última órbita estable en el borde interno del disco. Así, hasta un 40% de la masa "en reposo" (la "m" que entra en la fórmula de la página 114), de las partículas se convierte en energía. Para que se manifieste la actividad, el disco de acreción debe tener una fuente de suministro de gas; mientras dure el suministro, durará el fenómeno. En la jerga profesional se habla de que se emite energía cuando —y mientras— "el monstruo tenga de comer". Parte del gas, sin embargo, el más lejano al plano ecuatorial del disco (que más bien es como una llanta, ya que no es realmente plano), logra ser acelerado en el borde interno del remolino y emitido en forma de chorros de plasma perpendiculares al plano del disco. Este escenario puede explicar, además, los chorros de plasma de alta colimación observados en cuasares y otros núcleos activos de galaxias, en particular, las radiogalaxias.

INTERACCIONES Y COLISIONES ENTRE GALAXIAS

Al preguntarse los astrónomos de dónde puede el agujero negro central aprovisionarse de tanto material para "engullir" —una vez agotado el gas normal del núcleo galáctico—, varios han llevado este modelo más lejos, afirmando que un cuasar solo puede formarse cuando ocurre una colisión de dos galaxias de masa similar. Cada una de estas galaxias puede poseer ya un agujero negro central (en cuyo caso se "funden" en uno sólo con la suma de las masas de cada uno de los preexistentes), o éste puede formarse en el proceso de la colisión. En cualquiera de los casos, la colisión causa que una gran cantidad de gas fluya hacia el núcleo de la nueva galaxia, "encendiendo" un cuasar. La idea de las colisiones de galaxias no es nueva; ya en los años setenta se podían explicar varias morfologías peculiares como "colas", "puentes" y "plumas" en galaxias por fenómenos de interacción entre ellas, ya sea de manera directa (fusión de galaxias) o indirecta (fuerzas de marea por encuentros cercanos). Un ejemplo típico es el sistema conocido como "la antena" en la constelación del Cuervo. En aquella época, las simulaciones que se podían hacer en las computadoras, de la interacción de galaxias, sólo tomaban en cuenta a las estrellas, no al gas. Esto era una gran limitante. Cuando dos galaxias, cada una con cien mil millones de estrellas chocan y se fusionan, no sucede gran cosa con las estrellas, pues las distancias interestelares son tan enormes, que la mayoría de las estrellas ni se tocan entre sí. Pero para hacer simulaciones que incluyan al gas, se requieren supercomputadoras, y éstas han dado resultados sumamente interesantes. El gas que llena los enormes volúmenes del espacio interestelar, debido a la colisión, se aglutina en el centro de la galaxia remanente de la fusión.

Recientemente se ha descubierto que los cuasares no sólo tienen gran cantidad de gas, sino que lo tienen en forma molecular, es decir, de alta densidad —además de que, como mencionamos arriba, cuando se logra detectar la galaxia subyacente, ésta siempre presenta morfología perturbada. En este esquema, no cualquier colisión de galaxias crea un cuasar, sino sólo aquellas en que ambas progenitoras tengan mucho gas, preferentemente molecular. Así, el cuasar sería la manifestación más extrema del proceso de fusión de galaxias. La evidencia clave para confirmar esta idea vino de los descubrimientos hechos con el satélite IRAS, que en 1983 detectó una serie de galaxias cuya luminosidad en el infrarrojo (estamos hablando de longitudes de onda 12 a 100 micras) puede ser incluso mayor que la luminosidad visual de los cuasares. Cuando dos galaxias colisionan para detonar un cuasar, éste inicialmente estará oculto por una gran cantidad de gas y polvo que rodean al núcleo. El polvo absorbe la enorme radiación del cuasar, lo que lo hace indetectable en longitudes de onda de luz visible. Pero el polvo, al absorber esta radiación, se calienta y radia gran cantidad de energía justamente en las longitudes de onda del infrarrojo que mencionamos arriba. El satélite IRAS descubrió galaxias que emiten hasta el 90% de su energía en el infrarrojo, y varias de ellas tienen luminosidades en estas longitudes de onda de miles de millones de soles, es decir, como los cuasares. Más aún, al examinar estas galaxias con imágenes en luz visible, se encuentra que TODAS muestran morfologías de galaxias en colisión. El prototipo de estos objetos es la galaxia conocida como ARP 220 (Figura 64).

Figura 64. Imágenes de ARP 220. A la izquierda, desde la Tierra. A la derecha, desde el telescopio espacial HUBBLE.

Al producirse la colisión, el enorme flujo de gas hacia el núcleo genera ondas de compresión y de choque que producen enormes brotes de formación estelar. Las estrellas más masivas del brote pierden gran cantidad de masa en forma de fuertes vientos y evolucionan rápidamente hasta estallar como supernovas. Después de algunos millones de años, estos eventos despejan el entorno del cuasar "enterrado" y la luz de éste empieza a verse. De hecho, también se cree haber encontrado objetos en esta fase transitoria. La galaxia MKN 231 es el prototipo de transición entre "cuasar infrarrojo" y cuasar visible. Emite el 90% de su energía en el infrarrojo; sin embargo, ya tiene claramente características de cuasar visible y su morfología refleja indudablemente colisión de galaxias; además se le ha detectado una enorme cantidad de gas molecular, requisito indispensable para detonar un cuasar.

Hay que decir que, como siempre, no todos los astrónomos que trabajan en este tema están de acuerdo con todas estas ideas; algunos piensan que la interacción de galaxias puede ser una condición suficiente, pero no necesaria, para formar cuasares, es decir, que no todos los cuasares se forman así. Recientemente, se ha logrado obtener imágenes muy profundas de varios cuasares con los telescopios óptico-infrarrojos "Keck" y el Franco-Canadiense, en Hawaii. En aproximadamente el 90% de los casos, se ha detectado una galaxia subyacente con morfología de interacción. Sin embargo, estas observaciones sólo han sido posibles para los cuasares más brillantes. Por otro lado, algunos astrónomos piensan que las galaxias superluminosas detectadas en el infrarrojo por IRAS, si bien todas parecen ser producto de colisiones, no necesariamente todas son "protocuasares". Se argumenta que la colisión puede generar solamente un gigantesco brote de formación estelar en el centro, y este brote puede explicar las propiedades observadas. Para dilucidar este punto, existe una prueba crucial que deberá hacerse: si las galaxias infrarrojas son cuasares disfrazados (o protocuasares) deben tener la misma distribución en su corrimiento al rojo que los cuasares.

Se sabe que la gran mayoría de los cuasares tienen corrimientos al rojo entre Z = 2 y Z = 3. El cuasar más lejano que se conoce al momento de escribir este apéndice tiene un corrimiento al rojo dado por Z = 4.8. Es importante señalar que cuando la luz de esos objetos fue emitida hace miles de millones de años —que es lo que ha tardado en su viaje por el espacio hasta llegar a nosotros—, el Universo era mucho más joven y estaba menos expandido. Por lo tanto, la densidad de galaxias en un volumen dado del espacio era mucho mayor y, consecuentemente, la probabilidad de colisión entre ellas era también mayor. Esto explicaría, de paso, el hecho de que ya no se formen cuasares (no hay cuasares cercanos); esto, junto con el hecho de que las galaxias actualmente no tienen tanto gas como cuando acababan de formarse, pues lo han "usado" para formar estrellas. El punto fundamental es averiguar si la distribución de corrimientos al rojo de las galaxias infrarrojas es la misma que la de los cuasares. Pero para esto debemos esperar a tener un mejor telescopio infrarrojo que nos permita ver galaxias infrarrojas más lejanas. Esto será factible a principios del próximo siglo, cuando se espera lanzar el telescopio SIRTF (del inglés: Space Infrared Telescope Facility).

Una de las preguntas fundamentales en este campo es: qué tipo de procesos físicos dominan la emisión observada en distintas frecuencias de los diversos núcleos activos de galaxias (incluidos los cuasares). La hipótesis de trabajo mayoritariamente admitida es que dependiendo de cuánto material tenga el agujero negro a su disposición "para engullir", la energía de este proceso (energía de origen gravitacional) dominará la emisión. Si el "alimento del monstruo" es menor, la emisión de origen gravitacional puede ser comparable a la emisión de estrellas masivas y supernovas de un brote de formación estelar circumnuclear, e incluso, para los núcleos menos energéticos, a la de las estrellas, gas y polvo de toda la galaxia circundante. En la mayoría de los casos, observamos una mezcla de estos procesos con contribuciones distintas en distintos rangos de frecuencias. Uno de los grandes retos de este campo es el de poder desentrañar el origen de todas las contribuciones a la emisión de estos objetos. En este esquema, hay quienes piensan que todas las galaxias tienen un agujero negro en su núcleo, incluida la nuestra: la Vía Láctea. El "monstruo" puede haber estado activo en el pasado y muerto o moribundo por "inanición" en el presente. Existen ciertas evidencias de actividad nuclear en el centro de nuestra galaxia, aunque son solo evidencias indirectas y no pruebas. En este caso, es muy difícil detectar la actividad nuclear. Y en el otro extremo, el de los objetos más activos, lo difícil es detectar la galaxia circundante. Recientemente logramos ver, por primera vez, la galaxia circundante a un objeto tipo BL Lac: el "lagarto" OJ 287. Esta imagen fue obtenida en el Observatorio Astronómico Nacional de México, en San Pedro Mártir, Baja California, por Déborah Dultzin y Erika Benítez (Figura 65). En este caso se estudió también la vecindad del lagarto, y se encontró evidencia de interacción de galaxias, como en el caso de los cuasares.

Figura 65. Esta imagen de OJ 287 y su entorno tiene un tiempo de exposición equivalente a casi cinco horas ( en realidad se han sumado varias imágenes digitales) y se ha procesado con técnicas especialmente desarrolladas para realzar zonas de bajo brillo superficial. Se superponen contornos de observaciones en radiofrecuencias. Es la primera vez que se ve estructura subyacente a un objeto tipo BL Lac. Imagen del Observatorio Astronómico Nacional, San Pedro Mártir, B.C. México.

Por último, respecto de este fascinante objeto OJ 287, mencionado con anterioridad, recientemente se descubrió que también presenta estallidos de brillo periódicos cada doce años. Su brillo durante estos eventos aumenta en factores de miles de veces. El único modelo capaz de explicar este comportamiento periódico, es el que supone la presencia de DOS agujeros negros en el núcleo, girando uno alrededor del otro (o ambos alrededor del centro de masa del sistema). Estos dos agujeros negros podrían reflejar el resultado de la fusión de dos galaxias; la acción de marca entre ambos y sus discos de acreción provocaría variaciones periódicas en la cantidad de acreción al mayor de los agujeros negros. En el marco de este modelo, se predijo un estallido de brillo para el invierno de 1994, y éste fue, en efecto, observado en el marco de una colaboración internacional. De esta manera, vemos que todo encaja en el marco de las interacciones entre galaxias como detonantes de actividad al mover grandes cantidades de gas al núcleo para "alimentar al monstruo" .