33 Cuásares

Los objetos más lejanos y luminosos del universo son cuásares. Su extrema luminosidad se debe a que la materia cae en un agujero negro del centro de una galaxia. Por sus características geométricas, tienen aspectos muy distintos según la dirección desde la que se los observe y pueden parecer inusuales «galaxias activas» con líneas de emisión estrechas. Todas las galaxias pueden pasar por una fase de cuásar, que desempeña un importante papel en su creación.

Durante la década de los años sesenta una nueva clase de estrella desconcertó a los astrónomos. En sus inusuales espectros se veían líneas de emisión brillantes, pero las líneas no parecían estar en las longitudes de onda correctas para que pudieran adjudicarse a elementos conocidos. ¿Ante qué tipo de objeto nos encontrábamos? En 1965, un astrónomo holandés, Maarten Schmidt, se dio cuenta de que las líneas sí se correspondían a elementos normales, incluida la característica secuencia debida al hidrógeno, pero que presentaban un enorme desplazamiento hacia el rojo.

Los desplazamientos al rojo indicaban que esas «estrellas» se encuentran a una enorme distancia de nosotros, mucho más allá de la Vía Láctea y del reino de galaxias. No obstante, no parecían galaxias borrosas, sino que eran fuentes de luz puntuales. Además, para estar a las distancias que señalaban sus desplazamientos al rojo, eran excesivamente brillantes. Resultaba sorprendente que algo que tenía el mismo aspecto que una de las estrellas de nuestra galaxia estuviera de hecho localizada mucho más lejos que el Supercúmulo Local. ¿Qué objeto podría generar semejante energía?

Cuásares Los astrónomos se dieron cuenta de que el único modo de producir la energía que tenían esos objetos extragalácticos, también llamados «objetos cuasi estelares» o QSO, era a través de un comportamiento extremo de la gravedad, que se produciría concretamente cerca de los agujeros negros. La materia que cayera en el centro de la galaxia podría elevar su temperatura mediante la fricción e irradiar suficiente luz como para explicar la enorme luminosidad de los QSO. La luz del punto central eclipsa el resto de la galaxia, de manera que, desde lejos, parecería una estrella. Una parte de QSO, alrededor de un 10 por 100, también emite ondas de radio: reciben el nombre de fuentes «cuasi estelares», o «cuásares» para abreviar. A menudo, nos referimos a este tipo de objetos simplemente como cuásares.

Como el gas, el polvo o incluso las estrellas describen una espiral cuando se acercan a un agujero negro, el material se congrega formando un disco, llamado «disco de acreción» y que sigue las leyes de Kepler. Igual que los planetas de nuestro propio sistema solar, el material de las partes internas del disco orbita más rápidamente que en las partes externas. Las cáscaras adyacentes de gas se frotan unas contra otras y se calientan hasta alcanzar una temperatura de millones de grados, y finalmente empiezan a brillar. Los astrónomos predicen que las partes internas del disco de adición son tan calientes que emiten rayos X; las partes externas son más frías y emiten radiación de infrarrojos. La luz visible proviene de las regiones intermedias.

Este abanico de temperaturas genera emisiones en una amplia horquilla de frecuencias. Cada temperatura corresponde a un espectro de cuerpo negro característico que alcanza su nivel más alto a una energía diferente. Así, los cuásares irradian desde infrarrojos lejanos a rayos X, una gama de emisiones mucho más extrema que la de cualquier otra estrella. Si además hay fuertes campos magnéticos y haces de partículas, igual que ocurre en el caso de las radiogalaxias, el cuásar también muestra emisión de radio. La presencia de una fuente de luz tan brillante y energética produce otro elemento característico de los cuásares: unas líneas de emisión amplias. Las nubes de gas que flotan encima del disco pueden iluminarse, haciendo que brillen en unas líneas espectrales que reflejan su composición química. Debido a la proximidad del agujero negro central, las nubes se desplazan muy rápido, de manera que estas líneas de emisión se vuelven más amplias debido al efecto Doppler. Las líneas de emisión de los cuásares son mucho más amplias que en otros tipos de galaxias, donde suelen ser estrechas.

Galaxias activas Los cuásares son el ejemplo más extremo de un tipo de galaxias con agujeros negros con disco de acreción, llamadas núcleos galácticos activos o AGN, por sus siglas en inglés. La presencia de un agujero negro se detecta porque captamos las características líneas de emisión que produce el gas altamente ionizado a causa de las altas temperaturas que se generan cerca del agujero negro. Sólo podemos ver las líneas amplias si las regiones más cercanas al agujero negro pueden verse directamente. En otros tipos de AGN, las regiones interiores pueden quedar ocultas por densas nubes de gas y polvo distribuidas en un toro en forma de rosquilla, de manera que las líneas amplias se oscurecerían. Aunque sólo siguen siendo visibles las líneas estrechas, los altos niveles de ionización de las líneas revelan la presencia del monstruo en el corazón del AGN.

Es posible que las distinciones de diversos tipos de cuásares y galaxias activas se deban simplemente a que se están observando desde ángulos de visión distintos. Así, muchas galaxias pueden poseer material que las oscurezca sobre todo alrededor de su eje más grueso y mostrar, por ejemplo, sendas de polvo. Por tanto, si viéramos esas mismas galaxias de perfil, ese material añadido y cualquier otro toro de polvo nos impediría ver un agujero negro central. En cambio, podemos ver el centro con más claridad a lo largo del eje más corto de la galaxia. Así, los cuásares podrían verse especialmente cerca del eje corto y, en cambio, desde un lado, no se verían las líneas anchas del AGN.

Esquemas unificados La teoría de que los diferentes tipos de AGN pueden surgir simplemente del ángulo de la observación se conoce como «esquema unificado». La idea básica funciona muy bien para los cuásares y otras galaxias activas que están bien relacionadas con sus propiedades a gran escala, como la luminosidad de las ondas de radio o la luminosidad de la galaxia. Sin embargo, hay diversas variantes de AGN. El brillo intrínseco del AGN, a través del tamaño de su agujero negro, puede afectar a la nitidez con la que veamos su centro. Asimismo, los centros de AGN débiles pueden estar más enterrados que los más fuertes. Y los AGN jóvenes, cuyos agujeros negros centrales acaban de encenderse, pueden parecer más oscuros que los antiguos, que han tenido más tiempo para eliminar material. Además, la presencia o la ausencia de la emisión de radioondas sigue siendo un factor por explicar. Algunos astrónomos consideran que las emisiones de radio surgen de los agujeros negros rotatorios, o que son la consecuencia de ciertos tipos de colisiones galácticas.

Retroalimentación Los astrónomos comprenden cada vez mejor cómo la presencia de un agujero negro con disco de acreción afecta al desarrollo de una galaxia.

Cuando está activo, el agujero negro central puede absorber gas de la galaxia, dejando tras él menos combustible para que se formen nuevas estrellas. Esto puede explicar, por ejemplo, por qué las galaxias elípticas contienen poco gas y una cantidad baja de estrellas jóvenes. Por el contrario, si el AGN se activa después de la colisión, cualquier gas que entre después podría iniciar un rápido estallido que genere una estrella, de manera que una galaxia podría pasar por una fase en la que se oscureciera mucho y estuviera construyendo nuevas estrellas. Mientras el AGN sigue encendido, limpia el desorden y hace estallar el gas externo, hasta que el combustible se agota y se apaga. Esos ciclos pueden tener un papel clave en la formación de las galaxias, ya que actúan como una especie de termostato. Los astrónomos sospechan ahora que todas las galaxias pasan por fases de actividad, quizás durante un 10 por 100 del tiempo. La «retroalimentación» que resulta influye drásticamente en la naturaleza consiguiente de la galaxia.

La idea en síntesis: termostato galáctico