Las radiogalaxias en forma de X pueden formarse más simplemente de lo esperado

Cuando los astrónomos usan radiotelescopios para observar el cielo nocturno, normalmente ven galaxias de forma elíptica, con chorros gemelos que explotan a ambos lados de su agujero negro supermasivo central. Pero de vez en cuando, menos del 10% de las veces, los astrónomos pueden detectar algo especial y raro: una radiogalaxia en forma de X con cuatro chorros que se extienden por el espacio.

Si bien estas misteriosas radiogalaxias en forma de X han desconcertado a los astrofísicos durante dos décadas, un nuevo estudio de la Universidad Northwestern arroja nueva luz sobre cómo se forman, y es sorprendentemente simple. El estudio también encontró que las radiogalaxias en forma de X pueden ser más comunes de lo que se pensaba anteriormente.

El estudio se publicará el 29 de agosto en Las cartas del diario astrofísico. Marca la primera simulación de acreción de galaxias a gran escala que rastrea el gas galáctico lejos de la Tierra. agujero negro supermasivo todo el camino hacia ella.

Las condiciones simples conducen a resultados confusos

Usando nuevas simulaciones, los astrofísicos del noroeste implementaron condiciones simples para modelar la alimentación de un agujero negro supermasivo y la formación orgánica de sus chorros y disco adicional. Cuando los investigadores realizaron la simulación, las condiciones simples llevaron de manera orgánica e inesperada a la formación de una radiogalaxia en forma de X.

Sorprendentemente, los investigadores descubrieron que la forma de X característica de la galaxia era el resultado de la interacción entre los chorros y el gas que caía en el agujero negro. Al comienzo de la simulación, el gas que caía desviaba los chorros recién formados, que se encendían y apagaban, oscilaban erráticamente e inflaban pares de cavidades en diferentes direcciones para parecerse a una forma de X. Eventualmente, sin embargo, los chorros se volvieron lo suficientemente fuertes. para empujar el gas. En ese momento, los chorros se estabilizaron, dejaron de oscilar y se propagaron a lo largo de un eje.

«Descubrimos que incluso con condiciones iniciales simétricas simples, puede obtener un resultado muy confuso», dijo Aretaios Lalakos de Northwestern, quien dirigió el estudio. «Una explicación popular de las radiogalaxias en forma de X es que dos galaxias chocan, provocando su supermasivo agujeros negros para fusionarse, lo que cambia el giro del agujero negro restante y la dirección del chorro. Otra idea es que la forma del chorro cambia a medida que interactúa con el gas a gran escala que rodea un agujero negro supermasivo aislado. Ahora, hemos revelado por primera vez que las radiogalaxias en forma de X pueden, de hecho, formarse de una manera mucho más simple».

Lalakos es estudiante de posgrado en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern y miembro del Centro para la Exploración e Investigación Interdisciplinaria en Astrofísica (CIERA). Está co-supervisado por el coautor del artículo Sasha Tchekhovskoy, profesor asistente de física y astronomía en Northwestern y miembro clave de CIERA, y Ore Gottlieb, becario postdoctoral en CIERA.

Una forma de X accidental

Aunque las radiogalaxias emiten luz visible, también cubren grandes regiones de transmisión de radio. Quizás la radiogalaxia más famosa sea M87, una de las galaxias más masivas del universo, que se popularizó aún más en 2019 cuando el Event Horizon Telescope fotografió su agujero negro supermasivo central. Creadas por primera vez en 1992, las radiogalaxias en forma de X representan menos del 10% de todas las radiogalaxias.

Cuando Lalakos comenzó a modelar un agujero negro, no esperaba simular una galaxia en forma de X. En cambio, tenía la intención de medir la cantidad de masa consumida por un agujero negro. Introdujo condiciones astronómicas simples en la simulación y la dejó funcionar. Lalakos inicialmente no reconoció la importancia de la forma de X emergente, pero Chekhovskoy reaccionó con fervor entusiasta.

«Él dijo: ‘¡Hombre, esto es realmente importante! ¡Esta es una forma de X!'», Dijo Lalakos. «Me dijo que los astrónomos habían observado esto en la vida real y no sabían cómo se formaron. Lo creamos de una manera que nadie había especulado antes».

En simulaciones anteriores, otros astrofísicos han intentado crear estructuras en forma de X de forma artificial para estudiar cómo surgen. Pero la simulación de Lalakos condujo orgánicamente a la forma de X.

«En mi simulación, traté de no asumir nada», dijo Lalakos. «Por lo general, los investigadores colocan un agujero negro en medio de una cuadrícula de simulación y colocan un gran disco gaseoso ya formado a su alrededor, y luego pueden agregar gas ambiental fuera del disco. En este estudio, la simulación comienza sin un disco, pero pronto uno se forma a medida que el gas giratorio se acerca al agujero negro. Este disco luego alimenta el agujero negro y crea chorros. Hice las suposiciones más simples posibles, por lo que todo el resultado fue una sorpresa. Esta es la primera vez que alguien ve X en la forma de morfología en simulaciones de condiciones iniciales muy simples».

‘No tuve la suerte de verlos’

Como la forma de X solo surgió al principio de la simulación, hasta que los chorros se fortalecieron y estabilizaron, Lalakos cree que el radio en forma de X galaxias puede aparecer más a menudo, pero durar muy poco tiempo, en el universo de lo que se pensaba anteriormente.

«Pueden aparecer cada vez que el agujero negro obtiene gas nuevo y comienza a comer de nuevo», dijo. «Por lo tanto, es posible que sucedan con frecuencia, pero es posible que no tengamos la suerte de verlos porque solo ocurren cuando la potencia del chorro es demasiado débil para expulsar el gas».

A continuación, Lalakos planea continuar ejecutando simulaciones para comprender mejor cómo surgen estas formas X. Espera experimentar con el tamaño de los discos de acreción y los giros de los agujeros negros centrales. En otras simulaciones, Lalakos incluyó discos de acreción que eran casi inexistentes o extremadamente grandes; ninguno condujo a la escurridiza forma de X.

«Para la mayor parte del universo, es imposible hacer zoom justo en el centro y ver lo que sucede muy cerca de un agujero negro», dijo Lalakos. «E incluso las cosas que podemos observar, estamos limitados por el tiempo. Si el agujero negro supermasivo ya se formó, no podemos observar su evolución porque la vida humana es muy corta. En la mayoría de los casos, confiamos en simulaciones para comprender qué sucede cerca de un agujero negro».

El estudio se titula «Uniendo las escalas Bondi y Event Horizon: las simulaciones 3D GRMHD revelan la morfología de las radiogalaxias en forma de X».