AP�NDICE

Desde que este libro fue publicado por primera vez, ha habido avances importantes en el campo de los cuasares, avances que se han dado m�s en el aspecto t�cnico que en el te�rico. Me explico: las observaciones del telescopio espacial HUBBLE (Figura 63), del sat�lite GRO (del ingl�s "Gamma Ray Observatory") y, sobre todo, del sat�lite infrarrojo IRAS, han proporcionado una gran cantidad de datos nuevos. Algunos apuntan a confirmar el paradigma fundamental de la generaci�n de energ�a debido a un agujero negro central. Otros datos han abierto nuevas inc�gnitas y nos hacen pensar que el fen�meno de actividad nuclear es, por un lado, menos singular de lo que pens�bamos (est� presente en los n�cleos de muchas galaxias —quiz�s todas—, aunque a niveles distintos). Por otro lado, hoy sabemos que el fen�meno es m�s complejo, e involucra muchos procesos f�sicos simult�neamente. A continuaci�n, se hace un resumen de las ideas fundamentales del paradigma mencionado arriba, y del desarrollo reciente del tema, fundamentalmente en la l�nea de interacci�n 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 l�bulos bilaterales de emisi�n en radio. A la derecha, gracias a la resoluci�n del telescopio fuera de la atm�sfera terrestre, se ve una "dona" de gas y polvo que se cree rodea al disco de acreci�n.

El modelo de generaci�n de energ�a 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 rotaci�n) forman una especie de remolino alrededor del agujero negro. Las estrellas se destruyen previamente por la acci�n de fuertes fuerzas de marea al orbitar en las cercan�as del agujero negro. El remolino de gas as� formado (su nombre t�cnico es: "disco de acreci�n") se calienta por fricci�n, pudiendo radiar tanta energ�a como un bill�n 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 "detr�s" del horizonte de eventos, cada part�cula emite una fuerte cantidad de radiaci�n adicional proveniente de la conversi�n de su energ�a de amarre en la �ltima �rbita estable en el borde interno del disco. As�, hasta un 40% de la masa "en reposo" (la "m" que entra en la f�rmula de la página 114), de las partículas se convierte en energ�a. Para que se manifieste la actividad, el disco de acreci�n debe tener una fuente de suministro de gas; mientras dure el suministro, durar� el fen�meno. En la jerga profesional se habla de que se emite energ�a cuando —y mientras— "el monstruo tenga de comer". Parte del gas, sin embargo, el m�s lejano al plano ecuatorial del disco (que m�s 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, adem�s, los chorros de plasma de alta colimaci�n observados en cuasares y otros n�cleos activos de galaxias, en particular, las radiogalaxias.

INTERACCIONES Y COLISIONES ENTRE GALAXIAS

Al preguntarse los astr�nomos de d�nde puede el agujero negro central aprovisionarse de tanto material para "engullir" —una vez agotado el gas normal del n�cleo gal�ctico—, varios han llevado este modelo m�s lejos, afirmando que un cuasar solo puede formarse cuando ocurre una colisi�n 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 s�lo con la suma de las masas de cada uno de los preexistentes), o �ste puede formarse en el proceso de la colisi�n. En cualquiera de los casos, la colisi�n causa que una gran cantidad de gas fluya hacia el n�cleo de la nueva galaxia, "encendiendo" un cuasar. La idea de las colisiones de galaxias no es nueva; ya en los a�os setenta se pod�an explicar varias morfolog�as peculiares como "colas", "puentes" y "plumas" en galaxias por fen�menos de interacci�n entre ellas, ya sea de manera directa (fusi�n de galaxias) o indirecta (fuerzas de marea por encuentros cercanos). Un ejemplo t�pico es el sistema conocido como "la antena" en la constelaci�n del Cuervo. En aquella �poca, las simulaciones que se pod�an hacer en las computadoras, de la interacci�n de galaxias, s�lo 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 mayor�a de las estrellas ni se tocan entre s�. Pero para hacer simulaciones que incluyan al gas, se requieren supercomputadoras, y �stas han dado resultados sumamente interesantes. El gas que llena los enormes vol�menes del espacio interestelar, debido a la colisi�n, se aglutina en el centro de la galaxia remanente de la fusi�n.

Recientemente se ha descubierto que los cuasares no s�lo tienen gran cantidad de gas, sino que lo tienen en forma molecular, es decir, de alta densidad —adem�s de que, como mencionamos arriba, cuando se logra detectar la galaxia subyacente, �sta siempre presenta morfolog�a perturbada. En este esquema, no cualquier colisi�n de galaxias crea un cuasar, sino s�lo aquellas en que ambas progenitoras tengan mucho gas, preferentemente molecular. As�, el cuasar ser�a la manifestaci�n m�s extrema del proceso de fusi�n de galaxias. La evidencia clave para confirmar esta idea vino de los descubrimientos hechos con el sat�lite IRAS, que en 1983 detect� 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, �ste inicialmente estar� oculto por una gran cantidad de gas y polvo que rodean al n�cleo. El polvo absorbe la enorme radiaci�n del cuasar, lo que lo hace indetectable en longitudes de onda de luz visible. Pero el polvo, al absorber esta radiaci�n, se calienta y radia gran cantidad de energ�a justamente en las longitudes de onda del infrarrojo que mencionamos arriba. El sat�lite IRAS descubri� galaxias que emiten hasta el 90% de su energ�a 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. M�s a�n, al examinar estas galaxias con im�genes en luz visible, se encuentra que TODAS muestran morfolog�as de galaxias en colisi�n. El prototipo de estos objetos es la galaxia conocida como ARP 220 (Figura 64).

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

Al producirse la colisi�n, el enorme flujo de gas hacia el n�cleo genera ondas de compresi�n y de choque que producen enormes brotes de formaci�n estelar. Las estrellas m�s masivas del brote pierden gran cantidad de masa en forma de fuertes vientos y evolucionan r�pidamente hasta estallar como supernovas. Despu�s de algunos millones de a�os, estos eventos despejan el entorno del cuasar "enterrado" y la luz de �ste empieza a verse. De hecho, tambi�n se cree haber encontrado objetos en esta fase transitoria. La galaxia MKN 231 es el prototipo de transici�n entre "cuasar infrarrojo" y cuasar visible. Emite el 90% de su energ�a en el infrarrojo; sin embargo, ya tiene claramente caracter�sticas de cuasar visible y su morfolog�a refleja indudablemente colisi�n de galaxias; adem�s 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 astr�nomos que trabajan en este tema est�n de acuerdo con todas estas ideas; algunos piensan que la interacci�n de galaxias puede ser una condici�n suficiente, pero no necesaria, para formar cuasares, es decir, que no todos los cuasares se forman as�. Recientemente, se ha logrado obtener im�genes muy profundas de varios cuasares con los telescopios �ptico-infrarrojos "Keck" y el Franco-Canadiense, en Hawaii. En aproximadamente el 90% de los casos, se ha detectado una galaxia subyacente con morfolog�a de interacci�n. Sin embargo, estas observaciones s�lo han sido posibles para los cuasares m�s brillantes. Por otro lado, algunos astr�nomos 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 colisi�n puede generar solamente un gigantesco brote de formaci�n estelar en el centro, y este brote puede explicar las propiedades observadas. Para dilucidar este punto, existe una prueba crucial que deber� hacerse: si las galaxias infrarrojas son cuasares disfrazados (o protocuasares) deben tener la misma distribuci�n en su corrimiento al rojo que los cuasares.

Se sabe que la gran mayor�a de los cuasares tienen corrimientos al rojo entre Z = 2 y Z = 3. El cuasar m�s lejano que se conoce al momento de escribir este ap�ndice tiene un corrimiento al rojo dado por Z = 4.8. Es importante se�alar que cuando la luz de esos objetos fue emitida hace miles de millones de a�os —que es lo que ha tardado en su viaje por el espacio hasta llegar a nosotros—, el Universo era mucho m�s 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 colisi�n entre ellas era tambi�n mayor. Esto explicar�a, 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 distribuci�n 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 m�s lejanas. Esto ser� factible a principios del pr�ximo siglo, cuando se espera lanzar el telescopio SIRTF (del ingl�s: Space Infrared Telescope Facility).

Una de las preguntas fundamentales en este campo es: qu� tipo de procesos f�sicos dominan la emisi�n observada en distintas frecuencias de los diversos n�cleos activos de galaxias (incluidos los cuasares). La hip�tesis de trabajo mayoritariamente admitida es que dependiendo de cu�nto material tenga el agujero negro a su disposici�n "para engullir", la energ�a de este proceso (energ�a de origen gravitacional) dominar� la emisi�n. Si el "alimento del monstruo" es menor, la emisi�n de origen gravitacional puede ser comparable a la emisi�n de estrellas masivas y supernovas de un brote de formaci�n estelar circumnuclear, e incluso, para los n�cleos menos energ�ticos, a la de las estrellas, gas y polvo de toda la galaxia circundante. En la mayor�a 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 desentra�ar el origen de todas las contribuciones a la emisi�n de estos objetos. En este esquema, hay quienes piensan que todas las galaxias tienen un agujero negro en su n�cleo, incluida la nuestra: la V�a L�ctea. El "monstruo" puede haber estado activo en el pasado y muerto o moribundo por "inanici�n" 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 dif�cil detectar la actividad nuclear. Y en el otro extremo, el de los objetos m�s activos, lo dif�cil 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 Astron�mico Nacional de M�xico, en San Pedro M�rtir, Baja California, por D�borah Dultzin y Erika Ben�tez (Figura 65). En este caso se estudi� tambi�n la vecindad del lagarto, y se encontr� evidencia de interacci�n de galaxias, como en el caso de los cuasares.

Figura 65. Esta imagen de OJ 287 y su entorno tiene un tiempo de exposici�n equivalente a casi cinco horas ( en realidad se han sumado varias im�genes digitales) y se ha procesado con t�cnicas 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 Astron�mico Nacional, San Pedro M�rtir, B.C. M�xico.

Por �ltimo, respecto de este fascinante objeto OJ 287, mencionado con anterioridad, recientemente se descubri� que tambi�n presenta estallidos de brillo peri�dicos cada doce a�os. Su brillo durante estos eventos aumenta en factores de miles de veces. El �nico modelo capaz de explicar este comportamiento peri�dico, es el que supone la presencia de DOS agujeros negros en el n�cleo, girando uno alrededor del otro (o ambos alrededor del centro de masa del sistema). Estos dos agujeros negros podr�an reflejar el resultado de la fusi�n de dos galaxias; la acci�n de marca entre ambos y sus discos de acreci�n provocar�a variaciones peri�dicas en la cantidad de acreci�n al mayor de los agujeros negros. En el marco de este modelo, se predijo un estallido de brillo para el invierno de 1994, y �ste fue, en efecto, observado en el marco de una colaboraci�n 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 n�cleo para "alimentar al monstruo" .