lunes, julio 14, 2008

Galaxias activas

Entre otras cosas este blog ha resultado serme útil para recopilar en él mis aportaciones o resúmenes de discusiones interesantes en foros. Aquí viene una reciente aportación en el foro de la web de física sobre galaxias activas. Se trata de una muy corta introducción a las característicias principales desde un punto de vista más bien teórico, algo diferente a los artículos de wikipedia y basado en la segunda parte (la teoría) del capítulo correspondiente en [1].

Las galaxias activas son galaxias con un núcleo de actividad o luminosidad sobresaliente en alguna parte del espectro. El nombre común a esta variedad de fenómenos observados refleja también una naturaleza común que la proporciona la existencia de un disco de acreción.

El disco de acreción

El disco de acreción en estos casos circunda a un agujero negro supermasivo central. Generalmente la materia del disco de acreción cae hacia el agujero negro y la energía gravitacional es transformada en calor, haciendo que el disco emita radión térmica, usualmente en el ultravioleta extremo (que para galaxias activas se suele conocer como "big blue bump").

En general, la cantidad de materia por unidad de tiempo que puede caer en un agujero negro depende de la presión de la radiación que esta misma materia genera. Si la presión de radiación es muy grande aparece un límite, denominado límite de Eddington, en el cual existe un equilibrio hidroestático entre la presión de radiación y la gravitación de la materia. El cociente entre la luminosidad del disco de acreción y la luminosidad de Eddington, en definitiva la tasa de acreción, es uno de los factores más determinantes de la estructura y forma del disco de acreción.

Precisamente la forma del disco de acreción y su orientación relativa respecto a nosotros determina el tipo de fenómeno que observamos. Por ejemplo, un objeto Seyfert tipo 1 es el mismo que uno tipo 2 pero su orientación respecto a nosotros es diferente.

Las líneas de emisión

Por otro lado, esta emisión electromagnética del disco se observa como un continuo fuerte mas unas líneas anchas ("broad line region") y también unas líneas algo más estrechas ("narrow line region").

El continuo aparece debido a la emisión térmica cerca del agujero negro y las líneas anchas son debido a gas algo más lejano, aunque aún cercano, excitado por la emisión de continuo. El ensanchamiento de las líneas es consecuencia de un ensanchamiento Doppler, ya que el gas está suficiéntemente cerca del agujero negro como para rotar por su acción y también como para no poder ser resuelta tal rotación observacionalmente. Adicionalmente también se excita material más lejano que resulta en la emisión de líneas más estrechas, al no sufrir estas líneas ensanchamiento Doppler.

La corona

Otro componente, aunque no tan relevante, es la existencia de una denominada corona. A diferencia del disco de acreción la corona no es un componente que se espera encontrar en el núcleo de todas las galaxias activas.

La corona es un envolvente de electrones y protones muy energéticos los cuales interactúan con los fotones emitidos, dándoles aún más energía y convirtiéndolos en rayos-X (scattering de Compton inverso) y dando lugar a un continuo de rayos-X. Esta nube de electrones y protones se forma debido a la existencia de campos magnéticos como consecuencia de la carga eléctrica del agujero negro en rotación (lo que se conoce como mecanismo de Blandford-Znajek).

Los jets y la emisión de radio

Hay luego otra característica fundamental que es diferenciadora y clasifica a las galaxias activas en dos grupos básicamente. Se trata de la existencia de jets.

Los jets se forman cuando la materia es expelida por aceleraciones en el campo magnético. Presentan emisión de radio por sincrotrón y usualmente polarización de la radiación. Probablemente cierto fenómeno de jet aparezca siempre debido a los campos magnéticos, pero es un hecho que existen algunos núcleos de galaxias activas con jets potentísimos en la emisión de radio. Esto clasifica a las galaxias activas en radio-quiet y radio-loud.

Las galaxias activas radio-quiet se asume que corresponden con acreciones moderadas con agujeros negros de masa relativamente pequeña, mientras que las galaxias activas radio-loud corresponden con acreciones fuertes y agujeros negros de gran masa.

La variabilidad

Por último hay que mencionar la variabilidad. Este fenómeno se da de forma muy variada y tomando todas las observaciones se puede decir que aparece en todo el espectro electromagnético. Hay básicamente dos tipos, de corto plazo y de largo plazo.

En general, la variabilidad a corto plazo es un fenómeno que se cree nos dice algo sobre la forma del emisor en la región, como por ejemplo inhomogeneidades, flujos relativistas variables, etc. Para la variabilidad a largo plazo se postulan por ejemplo como causa cambios en la estructura del disco de acreción. No hay un modelo unificador para explicar la variabilidad en todo el espectro y la cantidad de hipótesis propuestas es variada.

Clasificación

Dejando de lado la emisión de contínuo, que es relativamente similar en todas las galaxias activas, se tienen por tanto las siguientes características: (i) líneas anchas y estrechas (ii) emisión de rayos-X (iii) emisión de radio (iv) polarización de la luz (v) variabilidad y (vi) tipo de galaxia en la que se encuentra el núcleo activo. Estas observaciones se reparten de la siguiente forma en las siguientes clases de objetos (clasificación según Carroll & Ostlie [1]):

  • Galaxias Seyfert: Sus características generales son líneas anchas y estrechas, emisión de radio débil, emisión de rayos-X y gamma hasta 100 keV, tienen lugar en galaxias espirales, y presentan variabilidad. Se clasifican en tipo 1 y tipo 2. Las de tipo 1 son variables y tienen una emisión de rayos-X más fuerte que las de tipo 2, las cuales, a su vez, no presentan variabilidad.

  • Cuásares: Sus características generales son líneas anchas y estrechas, emisión de radio, variabilidad, emisión de rayos X y gamma hasta 100 MeV. Se clasifican en radio-quiet y radio-loud. Las radio-loud presentan una fuerte emisión de radio y polarización.

  • Galaxias radio: Sus características generales son emisión de radio fuerte (son radio-loud), tienen lugar en galaxias elípticas, y no presentan variabilidad. Se clasifican en BLRG (Broad Line Radio Galaxy) y Galaxias radio, NLRG (Narrow Line Radio Galaxy). Las BLRG presentan líneas anchas y adicionalmente polarización. Las NLRG presentan líneas estrechas.

  • Blazars: Sus características generales son una emisión de radio muy fuerte con un jet en la línea de visión y polarización, además de variabilidad y una luminosidad muy alta. Se clasifican en objetos BL Lac que no tienen líneas y se encuentran todos a desplazamientos al rojo muy altos, y cuásares OVV (Optically Violent Variable) con líneas anchas y estrechas y mucho más luminosos que los objetos BL Lac.

  • Por último están los objetos ULIRG (Ultra-Luminous Infrared Galaxy) que son cuásares envueltos en polvo interestelar, y los objetos LINER (Low-Ionization Nuclear Emission-line Regions) que son probablemente galaxias espirales con starburst o regiones de HII con emision fuerte.


Existen modelos que unifican las observaciones basandose en las características mencionadas arriba. Como hemos mencionado, por ejemplo, un objeto Seyfert tipo 1 es el mismo que uno tipo 2 pero su orientación respecto a nosotros es diferente. La unificación entre radio-quiet y radio-loud no parece del todo posible por un mismo modelo y aparentemente son clases de objetos diferentes debido a la naturaleza del disco de acreción, especialmente la tasa de acreción que ocurre en él. La imagen de abajo nos muestra cómo las diferentes observaciones pueden resultar de un mismo objeto:



Otra imagen más en la red para ilustrar la situación. La parte de arriba representa el modelo radio-loud y la de abajo el radio-quiet (son modelos diferentes, ya que, el jet, si existe, aparece en ambas direcciones):



Referencias

[1] An Introduction to Modern Astrophysics, Carroll & Ostlie
[2] Active galactic nucleus, wikipedia

2 comentarios:

Carlos V. dijo...

Hola Alshain. Lo primero de todo felicitarte por tu nueva web. Práctica y moderna.Muy interesantes tus reflexiones sobre las "Galaxias Activas" y los núcleos activos.

Simplemente comentar que durante mucho tiempo se especuló sobre la naturaleza de este tipo de objetos. Era increible el hecho de que pudiesen ser observados a tan enormes distancias. Ello significaba que la energía emitida por ellos era sencillamente portentosa.

Algunos físicos, caso de Carl Sagan, llegaron a sugerir la posibilidad de que se tratase de cúmulos estelares muy densos de estrellas calientes y jóvenes de vida corta. La explosión de supernova de una de ellas provocaría una reacción en cadena en todo el cúmulo. Las sucesivas explosiones arrancaban las atmósferas exteriores de las estrellas permitiendo la visión de sus núcleos en explosión a miles de millones de grados. Bueno, podía ser una buena explicación, no obstante, no explicaba porque aumenta el número de estos objetos conforme nos alejamos en el espacio y el tiempo.

Hoy en día sabemos que la enorme luminosidad observada en Cuásares y Seyferts se basa en la generación de energía provocada por la incidencia de materia a altísimas temperaturas sobre un agujero negro central supermasivo. Este agujero negro presenta probablemente un movimiento de rotación y un campo magnético asociado que es el responsable de la radiación sincrotrónica.
Las pruebas más evidentes de la existencia de estos agujeros negros supermasivos en el corazón de galaxias como la nuestra provienen de estudios de cinemática de gases y de cúmulos de estrellas orbitando el núcleo galáctico a altas velocidades prueba de la existencia allí de potentes campos gravitatorios.

Está claro, entonces, que las galaxias subyacentes a estos núcleos activos y calientes son muy ricas en gases. Por supuesto, mucho más ricas de lo que lo puedan ser galaxias ordinarias como la nuestra.
El campo gravitatorio del agujero negro central permite que toda la materia generada durante la evolución de la galaxia caiga hacia el centro, hacia el agujero. Aumentando su masa. Es evidente, entonces, que para llegar a los grados tan supermasivos de estos agujeros es necesaria una cantidad enorme de gas galáctico en las cercanías del núcleo. Este gas pudo haber provenido probablemente de las interacciones de este tipo de galaxias con otras ricas también en gas. Choques entre ellas pudieron ser responsables de la densificación y colapso de sus núcleos y la aparición de agujeros negros monstruosos.

Si esta fuese la respuesta a su origen explicaría el misterio de observar estos objetos a enormes distancias. Cuanto más nos alejamos en el espacio-tiempo más abundan. La frecuencia de colisiones galácticas depende de la densidad de éstas. El Universo tuvo en épocas remotas un volúmen muy inferior al actual. Por tanto, la densidad galáctica y las colisiones tuvieron que ser mucho mayores y más frecuentes.

Bueno, Alshain, no te doy más la lata. Una maravilla tu blog. Un saludo

alshain dijo...

Gracias Carlos por tu interesante comentario. Saludos.