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Cuásares y núcleos galácticos activos

En 1963, el radioastrónomo británico Cyril Hazard identificó la ubicación de una fuente de radio conocida como 3C 273 (es decir, el objeto 273 del tercer catálogo de Cambridge), asociándola con un objeto estelar de la constelación de Virgo cuyo espectro mostraba un gran desplazamiento hacia el rojo. Esto lo situaba a miles de millones de años luz de distancia y lo convertía en uno de los objetos más lejanos del Universo conocido.

Debido a sus características únicas y extremas, desde su descubrimiento los cuásares (“quasi-stellar objects”, objetos cuasiestelares o QSO en inglés) han sido todo un reto para astrónomos y astrofísicos. Visibles mediante los telescopios más potentes como meros puntos de luz poco llamativos, semejantes a estrellas débiles, un análisis más detallado muestra las sorprendentes propiedades de estos astros.

En particular, el espectro de la luz que emiten está desplazado hacia el rojo, indicando que cuando la misma partió en su largo viaje hasta nosotros hace miles de millones de años, el Universo era mucho más joven y pequeño que en la actualidad. Es precisamente la expansión del Universo la responsable de que sean los objetos más lejanos los que más rapidamente parecen alejarse de nosotros, con velocidades que, en algunos cuásares, son apenas menores a la velocidad de la luz (casi 300.000 kilómetros por segundo).

Esta relación entre velocidad y distancia, conocida como “Ley de Hubble”, es la clave para calcular distancias a objetos muy lejanos, obteniéndose para los cuásares valores realmente enormes. Por ejemplo, 3C 273 se halla a unos 1.900 millones de años luz de nosotros.

Muchos cuásares son fuertes emisores de ondas de radio, de rayos X y de rayos gamma, y esta emisión suele variar en lapsos de tiempo que van de días a años. De hecho, son la fuente más poderosa de rayos X que se conoce. Además, son intrínsecamente muy brillantes, ya que de lo contrario no podrían ser detectados a distancias tan grandes. La mayoría de estos objetos emiten una energía equivalente a varios billones de veces la que emite nuestro Sol, o sea, unas diez veces más que la totalidad de la Vía Láctea, superando en muchos casos a las galaxias más brillantes.

Una de las características más sorprendentes de los cuásares es que toda su energía proviene de una región relativamente pequeña, no mucho mayor que nuestro sistema solar. Esto se deduce de sus rápidas variaciones de brillo: dado que nada puede moverse más rápido que la luz, un objeto del tamaño de una galaxia, de varias decenas de miles de años luz de diámetro, no podría variar de brillo en pocas horas, ya que ningún fenómeno físico podría propagarse lo suficientemente rápido de un extremo al otro para producir semejante variación simultánea.

El desafío para los astrofísicos es tratar de explicar cómo un objeto de tamaño no mucho mayor al de nuestro sistema solar genera más energía que toda una galaxia, y que a su vez esa explicación coincida con las propiedades observadas en los distintos tipos de cuásares conocidos.

Tras cuatro décadas de trabajo observacional y teórico, se sabe que los cuásares son los núcleos activos de galaxias distantes, y el mecanismo que genera su energía es completamente distinto al de las estrellas. El modelo más aceptado supone la existencia en esos centros galácticos de un agujero negro supermasivo, con una masa decenas de millones de veces superior a la de nuestro Sol, que con su inmensa atracción gravitatoria arrastra material gaseoso de sus alrededores, acelerándolo y calentándolo a temperaturas de millones de grados.

Esta sería la principal causa de la enorme luminosidad de los cuásares, ya que alrededor del agujero negro se crearía un disco de acreción formado por ese material caliente. Parte del mismo cae al agujero negro, pero otra parte es expelida a velocidades cercanas a la de la luz en dos chorros o “jets”, responsables de la emisión de ondas de radio.

Las galaxias que poseen en su centro agujeros negros algo menos dinámicos son denominadas galaxias activas, y sus agujeros negros centrales son denominados núcleos galácticos activos (AGN, “Active Galactic Nucleus” en inglés). La Vía Láctea y nuestra galaxia vecina, Andrómeda, son ejemplos de galaxias normales, en las cuales su agujero negro central no tiene tanto material a su disposición.

Los cuásares y AGN suelen clasificarse en dos tipos, 1 y 2, aunque según ha permitido comprobar el Observatorio Espacial Chandra de rayos X, puesto en órbita en 1999, se trata de la misma clase de objetos, sólo que los observamos desde ángulos diferentes, es decir, desde un plano perpendicular (tipo 1) o paralelo (tipo 2) a su disco de acreción.

Desde nuestro punto de vista el agujero negro central de los cuásares y AGN de tipo 2 no es visible debido a que lo ocultan el gas y el polvo de su disco de acreción. Esto hace que sean conocidos como “oscurecidos”, pero al observarlos mediante el Chandra en longitudes de onda de rayos X, puede advertirse claramente que son el mismo tipo de objetos que los de tipo 1.

La energía de un cuásar depende de la masa total de su agujero negro supermasivo central, y de la velocidad con la que éste absorbe el material que atrae. Casi todas las galaxias, incluyendo a la Vía Láctea, ocultan uno o más agujeros negros masivos en su centro. Los cuásares representan casos extremos, en los cuales grandes cantidades de gas y polvo son devoradas por el agujero negro, con tanta rapidez que la energía producida resulta más de mil veces superior a la de la galaxia en su totalidad.

Este modelo es aceptado a grandes rasgos por la mayoría de los astrofísicos, si bien aun quedan muchos detalles sin una explicación satisfactoria: ¿De dónde sale el material que alimenta al agujero negro supermasivo? ¿Cúal es el origen de las variaciones de brillo que ocurren en escalas de tiempo muy breves?

Periodista y divulgador científico nacido en Argentina. Amante de la astronomía, fundó Astronomía Online y es su editor desde el año 2002.