En l'entrada anterior vam deixar oberta una pregunta: com és que pensem que els dolls de 3C 84 o totes les altres galàxies actives es generen en l'entorn dels forats negres si se suposa que aquests ho engulen tot, fins i tot la llum?
Hem explicat que les galàxies actives generen la radiació que observem en el procés de caiguda de matèria cap als forats negres que hi ha als seus nuclis. Segurament, l'aportació d'aquest gas prové de col·lisions galàctiques. N'hi ha dues opcions, o potser totes dues alhora: La galàxia més massiva 'furta' gas de la segona, o la interacció desestabilitza el gas de la primera, que perd energia i cau cap al nucli galàctic.
Sabem també que les galàxies tenen camps magnètics. Com els imants. El gas i el camp van de la maneta en aquest context: on va la corda, va el poal. Així doncs, sembla que quan el gas s'apropa al nucli, arrossega amb ell el camp. Com més s'apropa el conjunt al nucli, més compacte es fan el gas i el camp. Això fa augmentar la intensitat del camp magnètic. El procés és realment molt més complicat, i realment encara no tenim clares un parell de coses fonamentals: quins són els processos exactes que fan caure el gas i com arrossega el camp? En qualsevol cas, tant fa si ho entenem o no, el gas arriba al nucli, i això sembla clar.
El següent pas és que el gas, distribuït en forma de disc, perd energia i acaba caient en les urpes del forat. Això ja ho sabíem, ho hem explicat. La part important ara és que el gas arrossega el camp magnètic amb ell. Matemàticament, modelitzem el camp magnètic com un seguit de línies, com si foren cordes (de fet, n'hi ha una certa semblança en el comportament). Les línies ixen del disc en direcció perpendicular, cap a fora, i en arribar al forat, s'hi ancoren. Ara ve el següent ingredient de la recepta: el forat negre gira sobre sí mateix. Les línies, ancorades i amb una tendència cap a la verticalitat, són forçades, retorçudes.
La seua resistència a ser forçades obliga el forat negre a invertir-hi energia. És precisament aquesta energia que extreu el camp magnètic de la rotació del forat negre la responsable de generar el doll. El camp magnètic enrotllat 'empeny' cap a fora. Per altra banda, les altes energies de la radiació en la regió permeten que la col·lisió de dos fotons (partícules de llum) puguen generar parells de partícula-anti-partícula (electró-positró). D'això n'haurem de parlar, sí. Però un altre dia, que ara estem amb açò altre. Aquests parells de partícula i anti-partícula constitueixen la primera contribució de matèria a un doll que, d'altra manera, seria inicialment només un flux de camp magnètic.
Tot això que he escrit fins ara sembla que ho haja escrit molt convençut, però la cosa ni està tan clara, ni és del tot evident. Sabem que el mecanisme pot funcionar i que segurament funciona en molts casos. Però, també en 3C 84? N'hi ha una altra opció, que consistiria a extreure matèria al llarg de les línies de camp magnètic que travessen el disc. Aquestes línies també s'enrotllarien per la rotació del gas, i es tombarien a mesura que aquest cau cap al forat i arrossega el camp a la regió del disc. Com que el material del disc cau més ràpid i la part que queda fora del disc ho fa més lentament, les línies acaben tombant cap a fora (veure la figura).
Aquest doll seria més lent i estaria format per protons i electrons. Separats, perquè les temperatures són suficientment altes com per a que els àtoms d'hidrogen estiguen ionitzats.
En el cas de 3C 84 veiem dos filaments brillants al llarg del que suposem és la seua superfície. Es tracta d'una estructura buida, generada des del disc? Atesa la intensa interacció amb el medi a l'extrem dels filaments, això sembla poc probable. O potser a l'interior dels filaments n'hi ha una component més ràpida, generada en l'entorn de forat negre, que no veiem degut al reforçament Doppler?
Reforçament Doppler? Ara. Les partícules responsables de l'emissió de radiació no l'emeten de manera isòtropa si es propaguen a velocitats properes a la de la llum. En aquest cas emeten pràcticament tota la radiació en la direcció de propagació. Per tant, si no es propaguen prop de la direcció al observador (nosaltres) pot ben ocòrrer que no les veiem. Tanmateix, hi estan. Per això, pot ser tant que el doll de 3C 84 estiguera ple de partícules que emeten pràcticament tota la seua radiació (fins el límit dels nostres detectors) en la direcció de propagació, que no és la nostra. L'alternativa (que el doll estiga buit) sembla menys probable.
En resum, encara que no tenim completament clar quin és el procés dominant, o si ocorren tots dos al mateix temps, sabem que és possible extraure energia d'un forat negre. Per tant, no tot el que s'apropa a un forat n'acaba dins. Ens resten alguns detalls per entendre, però podem dir del cert que els dolls es formen en aquestes regions properes a l'abisme. Curiosament, els més potents d'aquests travessen distàncies enormes. Quina diferència, d'acabar dins del forat per sempre més a ser llençat des del nucli de la galàxia fins més enllà dels seus límits!
Ara que ja tenim clara l'estructura a gran escala de la radio-galàxia 3C 84, podem fer servir la interferometria de llarga base per tal d'assolir resolucions observacionals sorprenents i apropar-nos al que ocorre al seu nucli central.
Recordem que la interferometria de llarga base és una tècnica observacional en ràdio-freqüències que implica antenes separades per distàncies enormes. Combinant-ne el senyal rebut d'un mateix objecte, aquesta tècnica ens permet obtenir-ne una imatge que s'aproparia al que observaríem si tinguérem un telescopi tan gran com la distància que separa les antenes més allunyades. En conseqüència, si separem les antenes a distàncies inter-continentals seria com si tinguérem una antena de la grandària del planeta. Les imatges que mostrem en aquesta entrada estan més enllà de la resolució abastable per qualsevol telescopi òptic.
En l'entrada anterior vam veure com l'emissió en ràdio sembla oscil·lar periòdicament. La corba de llum (veure Figura 4 de l'entrada anterior) mostrava un increment notable de la lluminositat iniciat en la dècada dels anys 50 o principis dels 60, i una altra en la dècada dels 2000. En tots dos casos, l'increment va anar associat a l'ejecció de matèria i camps magnètics des de l'entorn del forat negre.
Posem-li doncs llum a la foscor, com diuen als programes de crims. Si mirem una imatge en ràdio de l'any 1995, obtinguda amb el dispositiu VLBA (Very Large Baseline Array, Figura 2), de l'observatori radio-astronòmic nacional (NRAO), veiem que l'ejecció dels anys 50-60 ha evolucionat. S'ha unflat i ha generat una bombolla d'emissió en ràdio que es troba a uns 30-40 anys-llum del forat negre. Per tant la velocitat estimada de propagació ha estat d'entorn el 50% de la velocitat de la llum.
I què hi ha de la fase d'activitat iniciada fa deu anys? Necessitem més resolució, ens cal una antena més gran. Però si ja tenim antenes tan grans com el nostre planeta i no és suficient, com ho fem, això? Ben senzill, posem un radio-telescopi en òrbita! Combinant les antenes terrestres amb el radio-telescopi espacial rus Radioastron (Figura 1), ens apropem a tocar de la boca de l'avern.
Allà dins hi trobem una imatge curiosa (Figura 3), potser inquietant. No es tracta del mateix Perseu amb el cap de Medusa a la mà, però ens deixa de pedra. Si més no, a servidor. La darrera ejecció s'ha propagat poc menys d'una desena d'anys llum des de la seua formació al voltant del forat negre central. Som, per tant, testimonis directes de l'ejecció d'una quantitat enorme d'energia que escombrarà les regions internes de la galàxia com un tsunami. L'energia injectada és l'equivalent a convertir la massa del nostre planeta en energia (E0=m c2) cada huit minuts.
La velocitat amb què avança el cap de l'ejecció per la regió és d'un 20 a un 30% de la velocitat de la llum. Recordem que es propaga per una part central de la galàxia ja devastada per l'ejecció anterior. Per les ejeccions anteriors que han travessat la galàxia. Segons la interpretació que hem fet d'aquests mapes, sembla que en el moment de l'observació, el cap del doll més recent està impactant amb un núvol de gas, el que fa augmentar la brillantor en la zona d'impacte.
Els núvols de gas en el medi interestel·lar són els llocs on es poden formar estrelles noves. En aquest cas, però, la col·lisió escalfa i expandeix el gas que el conforma, segurament evitant qualsevol opció que s'hi formen estrelles. Vet ací per tant, possiblement, un exemple de l'impacte de l'activitat galàctica. No puc evitar pensar en quantes estrelles, quants planetes, han deixat de formar-se en tot l'Univers per l'impacte d'aquests dolls. I en quants s'ha frustrat l'evolució de vida en la seua superfície degut a la radiació d'alta energia que emeten.
Com veiem, la ràdiogalàxia 3C 84, també coneguda com NGC 1275, representa un objecte molt interessant per estudiar la recurrència de l'activitat galàctica (quins són els processos que fan arribar gas al nucli o de què depèn la periodicitat de les aportacions, per exemple), i el seu paper en l'evolució de les galàxies!
Segur que ara mateix la meitat dels lectors i lectores es pregunten com és possible que s'ejecte res des de l'entorn d'un forat negre, si sempre ens han explicat que res no escapa de la seua atracció fatal. Tanmateix... deixem això, així com la peculiar estructura del doll per a la propera.
Per acabar, sí que m'agradaria destacar el fet que la combinació de telescopis que ens ha permés obtenir aquestes espectaculars imatges impliquen una col·laboració internacional entre científics d'orígens ben diversos, també de països en conflicte entre ells. Els lligams personals i professionals que ens ofereix l'activitat científica i l'avenç en el coneixement humà han d'estar i estan per damunt dels interessos dels estats. Malauradament, darrerament patim dificultats imposades per alguns estats i entitats europees en la nostra col·laboració amb col·legues russos que res tenen a veure amb les accions empreses pel seu govern, i que en molts casos també pateixen.
Al mes d'agost, la constel·lació de Perseu esdevé l'escenari de la caiguda d'estels fugaços, conseqüència del pas d'un cometa per l'òrbita terrestre en el punt en què el nostre planeta es troba en els dies centrals d'aquest mes. Per sort, en passar el cometa la Terra estava en un altre punt de la seua òrbita. En cas contrari, potser aquest text no estaria sent escrit, o estaria escrivint una altra cosa. Però no he vingut a parlar de cometes, que en realitat no són objectes de l'Univers violent i indomable. Encara que ens poguera semblar que una col·lisió d'un cometa és un fet violent, això en realitat és poca cosa.
Més enllà de Perseu, és a dir, més enllà de les estrelles que en projecció constitueixen la constel·lació, mirem cap a l'espai intergalàctic. A 240 milions d'anys-llum en aquesta direcció trobem un cúmul de galàxies conegut com a cúmul de Perseu. Conté 190 galàxies i, al seu centre, la galàxia gegant NGC 1275. NGC 1275 té un diàmetre d'uns 170.000 anys-llum. La seua rellevància prové del seu nucli, on un forat negre súper-massiu sembla que engul matèria aportada per altres galàxies, atrapades per l'intens camp gravitatori del forat i la galàxia. I, com ja hem vist, la caiguda de matèria sobre el forat negre és una eficient font d'energia.
La galàxia que en l'interval del visible s'anomena NGC 1275, o Perseus A, és coneguda també en la banda de ràdio amb el nom de 3C 84, així com per la seua emissió en raigs X (amb els mateixos noms que en el visible en aquest cas). Els noms que reben les galàxies en les diferents bandes de l'espectre electromagnètic provenen dels catàlegs que les van registrar. Les sigles NGC signifiquen 'New General Catalog', i 3C significa que va ser enregistrada pel tercer catàleg de ràdio-galàxies de Cambridge. Açò no ajuda de cap de les maneres el pobre astrofísic teòric que malda per relacionar uns noms amb els altres i que se n'adona, potser després d'anys, que dos noms que ha sentit tantes vegades corresponen al mateix objecte. És un calaix desastre entranyable, en qualsevol cas.
Tornem al fil, que me'n vaig per on no toca. El telescopi espacial Hubble en va mostrar una situació complexa, amb estructures filamentoses de gas que podrien ser els canals de caiguda cap al monstre central (Figura 1). En ones de ràdio, la situació encara sembla més complicada, amb bombolles d'emissió desconnectades entre elles. Finalment, en raigs X, les bombolles d'emissió en ràdio apareixen com negatius, és a dir, com absències d'emissió (Figura 2). En conjunt, sembla com si la galàxia tinguera períodes intermitents d'activitat en què injectara matèria.
Centrem-nos ara en les bombolles. Per què brillen en ràdio i en raigs X són buides d'emissió? Quan observem radiació X en galàxies i el seu entorn, típicament respon a la presència de gas poc dens i calent, és a dir, gas interestel·lar i intergalàctic. Allà on no s'hi veu, deu ser que alguna cosa l'ha apartat, generant regions 'buides'. Si observem la mateixa galàxia en ràdio, tenim la resposta: partícules i camps magnètics, que produeixen radiació sincrotró han farcit eixes cavitats (Figura 3).
L'origen d'aquestes partícules (electrons i possiblement positrons, la seua antipartícula) i camp magnètic està al nucli de la galàxia: quan el forat negre central és alimentat per gas, genera dolls de plasma format per partícules elementals i camp, que viatgen per la galàxia i generen aqueixes bombolles. I és que els forats negres no engulen tot el que els arriba, sobretot si el camp magnètic ho pot evitar.
El mecanisme de generació de les bombolles és senzill: la injecció de partícules i energia escombra i aparta el gas de la galàxia mitjançant ones de xoc que, en afeblir-se, es converteixen en pertorbacions o ones (soroll inaudible!). L'afebliment de les ones de xoc ocorreria a conseqüència del cessament de l'activitat nuclear a la galàxia. Ho podem entendre, de fet, com explosions d'una durada limitada.
En conclusió, podem associar la presència d'emissió en ràdio a la injecció de partícules des del forat negre que hi ha al nucli de la galàxia.
I, efectivament, n'hi ha evidències que això és així. Si mirem la corba de llum (Figura 4) emissió total en funció del temps) en ràdio de la galàxia des que se'n tenen registres –expressió manllevada als estimats meteoròlegs dels nostres mitjans de comunicació– veiem una evident oscil·lació. Com podem apreciar, hi ha un fort augment de l'emissió que té el seu cim en la segona meitat dels anys 70 del segle XX. Després, l'emissió en ràdio cau, per tornar a créixer cap a 2010. Amb observacions d'alta resolució en ràdio hem aconseguit distingir una fase d'activitat que es va aturar fa mig segle, i una reinjecció en els darrers 20 anys, d'acord amb el que ens indica la corba de llum. En parlarem amb detall a la següent entrada.
Ara, cal fer un aclariment rellevant: no podem relacionar directament l'oscil·lació que observem en la corba de llum amb les bombolles que veiem a gran escala, perquè les escales de temps han de ser ben diferents en els dos casos. A petita escala, veiem reactivacions del nucli amb una periodicitat de dècades (Figura 4), mentre que a gran escala la periodicitat deu ser més gran (milers d'anys?), com es pot deduir de la grandària i la distància entre les bombolles en aquestes escales (Figura 2). Per tant, estaríem parlant de periodes d'activitat de durada llargues i, al mateix temps, dintre d'aquests períodes llargs, en trobaríem de més curts (Figura 4). La fusió de les ejeccions de les fases curtes donaria així lloc a les bombolles observades a gran escala. Tanmateix, això és només una hipòtesi.
El que si demostren aquestes imatges és que allò que ocorre al centre de la galàxia, a escales poc més grans que el nostre Sistema Solar, afecta tot el seu volum i que això ocorre mitjançant les ejeccions de partícules i camps magnètics. Les imatges revelades per Chandra fa uns anys s'han convertit precisament en un paradigma d'eixe procés.
En la propera entrada parlarem del que veiem amb la major resolució possible, la que ens permeten les observacions en ràdio-freqüències, així com de la manera en què s'injecten les partícules i el camp, i de la relació entre escales, des d'un any-llum a desenes de milers d'anys-llum des del nucli galàctic.
