Los astrónomos que estudian la evolución de las galaxias han luchado durante mucho tiempo por comprender qué causa el cierre de la formación de estrellas en galaxias masivas. Aunque se han propuesto muchas teorías para explicar este proceso, conocido como "enfriamiento", todavía no hay consenso sobre un modelo satisfactorio.
Ahora, un equipo internacional dirigido por Sandra Faber, profesora emérita de astronomía y astrofísica en la UC Santa Cruz, ha propuesto un nuevo modelo que explica con éxito una amplia gama de observaciones sobre la estructura de la galaxia, los agujeros negros supermasivos y el enfriamiento de la formación de estrellasLos investigadores presentaron sus hallazgos en un artículo publicado el 1 de julio en el Revista astrofísica .
El modelo respalda una de las ideas principales sobre el enfriamiento rápido que lo atribuye a la "retroalimentación" del agujero negro, la energía liberada en una galaxia y sus alrededores desde un agujero negro supermasivo central a medida que la materia cae en el agujero negro y alimenta su crecimiento.La retroalimentación energética calienta, expulsa o interrumpe el suministro de gas de la galaxia, evitando la caída de gas del halo de la galaxia para alimentar la formación de estrellas.
"La idea es que en las galaxias formadoras de estrellas, el agujero negro central es como un parásito que finalmente crece y mata al huésped", explicó Faber. "Eso se ha dicho antes, pero no hemos tenido reglas claras para decir cuándoun agujero negro es lo suficientemente grande como para cerrar la formación de estrellas en su galaxia anfitriona, y ahora tenemos reglas cuantitativas que realmente funcionan para explicar nuestras observaciones ".
La idea básica implica la relación entre la masa de las estrellas en una galaxia masa estelar, qué tan dispersas están esas estrellas el radio de la galaxia y la masa del agujero negro central. Para galaxias en formación de estrellas con unDada la masa estelar, la densidad de las estrellas en el centro de la galaxia se correlaciona con el radio de la galaxia, de modo que las galaxias con radios más grandes tienen densidades estelares centrales más bajas. Suponiendo que la masa del agujero negro central se escala con la densidad estelar central, la estrellagalaxias formadoras con radios más grandes a una masa estelar dada tendrán masas de agujero negro más bajas.
Lo que eso significa, explicó Faber, es que las galaxias más grandes aquellas con radios más grandes para una masa estelar dada tienen que evolucionar más y construir una masa estelar más alta antes de que sus agujeros negros centrales puedan crecer lo suficiente como para extinguir la formación de estrellas., las galaxias de radio pequeño se apagan a masas más bajas que las galaxias de radio grande.
"Esa es la nueva idea, que si las galaxias con radios grandes tienen agujeros negros más pequeños en una masa estelar dada, y si la retroalimentación de los agujeros negros es importante para el enfriamiento, entonces las galaxias de radio grande tienen que evolucionar aún más", dijo.Si reúne todos estos supuestos, sorprendentemente, puede reproducir una gran cantidad de tendencias observadas en las propiedades estructurales de las galaxias ".
Esto explica, por ejemplo, por qué las galaxias apagadas más masivas tienen densidades estelares centrales más altas, radios más grandes y agujeros negros centrales más grandes.
Basado en este modelo, los investigadores concluyeron que el enfriamiento comienza cuando la energía total emitida por el agujero negro es aproximadamente cuatro veces la energía de unión gravitacional del gas en el halo galáctico. La energía de unión se refiere a la fuerza gravitacional que retiene el gasdentro del halo de materia oscura que envuelve la galaxia. El enfriamiento se completa cuando la energía total emitida por el agujero negro es veinte veces la energía de enlace del gas en el halo galáctico.
Faber enfatizó que el modelo aún no explica en detalle los mecanismos físicos involucrados en el enfriamiento de la formación de estrellas. "Los procesos físicos clave que evoca esta simple teoría aún no se comprenden", dijo. "Sin embargo, la virtud de esto, es que tener reglas simples para cada paso del proceso desafía a los teóricos a encontrar mecanismos físicos que expliquen cada paso ".
Los astrónomos están acostumbrados a pensar en términos de diagramas que trazan las relaciones entre las diferentes propiedades de las galaxias y muestran cómo cambian con el tiempo. Estos diagramas revelan las diferencias dramáticas en la estructura entre las galaxias apagadas y en formación de estrellas y los límites agudos entre ellas.Debido a que la formación de estrellas emite mucha luz en el extremo azul del espectro de color, los astrónomos se refieren a las galaxias formadoras de estrellas "azules", las galaxias quiescentes "rojas" y el "valle verde" como la transición entre ellas.es revelado por su tasa de formación de estrellas
Una de las conclusiones del estudio es que la tasa de crecimiento de los agujeros negros debe cambiar a medida que las galaxias evolucionan de una etapa a la siguiente. La evidencia observacional sugiere que la mayor parte del crecimiento de los agujeros negros ocurre en el valle verde cuando las galaxias comienzan a enfriarse.
"El agujero negro parece desatarse justo cuando la formación de estrellas se ralentiza", dijo Faber. "Esto fue una revelación, porque explica por qué las masas de agujeros negros en las galaxias formadoras de estrellas siguen una ley de escala, mientras que los agujeros negros en las galaxias apagadassiga otra ley de escala. Eso tiene sentido si la masa del agujero negro crece rápidamente mientras está en el valle verde ".
Faber y sus colaboradores han estado discutiendo estos temas durante muchos años. Desde 2010, Faber ha codirigido un importante programa de prospección de galaxias del Telescopio Espacial Hubble CANDELS, Encuesta sobre el legado extragaláctico profundo del infrarrojo cercano de la Asamblea Cósmica, que produjo los datosutilizado en este estudio.Al analizar los datos de CANDELS, ha trabajado en estrecha colaboración con un equipo dirigido por Joel Primack, profesor emérito de física de la UCSC, que desarrolló la simulación cosmológica Bolshoi de la evolución de los halos de materia oscura en la que se forman las galaxias.proporcionar el andamiaje sobre el cual la teoría construye la fase temprana de formación de estrellas de la evolución de las galaxias antes del enfriamiento
Las ideas centrales en el documento surgieron de los análisis de los datos de CANDELS y golpearon a Faber por primera vez hace unos cuatro años. "De repente me llamó la atención, y me di cuenta si juntamos todas estas cosas, si las galaxias tenían una trayectoria simple enradio versus masa, y si la energía del agujero negro necesita superar la energía de enlace de halo, puede explicar todos estos límites inclinados en los diagramas estructurales de las galaxias ", dijo.
En ese momento, Faber estaba haciendo frecuentes viajes a China, donde participó en colaboraciones de investigación y otras actividades. Era profesora visitante en la Universidad Normal de Shanghai, donde conoció al primer autor Zhu Chen. Chen vino a la Universidad de California en Santa Cruzen 2017 como investigador visitante y comencé a trabajar con Faber para desarrollar estas ideas sobre el enfriamiento de galaxias.
"Ella es matemáticamente muy buena, mejor que yo, e hizo todos los cálculos para este trabajo", dijo Faber.
Faber también reconoció a su antiguo colaborador David Koo, profesor emérito de astronomía y astrofísica de la UCSC, por centrar primero la atención en las densidades centrales de las galaxias como clave para el crecimiento de los agujeros negros centrales.
Entre los acertijos explicados por este nuevo modelo hay una notable diferencia entre nuestra galaxia, la Vía Láctea y su vecina muy similar, Andrómeda. "La Vía Láctea y Andrómeda tienen casi la misma masa estelar, pero el agujero negro de Andrómeda es casi 50 veces más grande que elLa Vía Láctea ", dijo Faber." La idea de que los agujeros negros crecen mucho en el valle verde explica en gran medida este misterio. La Vía Láctea apenas está entrando en el valle verde y su agujero negro todavía es pequeño, mientras que Andrómeda es simplementesaliendo así que su agujero negro se ha vuelto mucho más grande, y también está más apagado que la Vía Láctea ".
Además de Faber, Chen, Koo y Primack, los coautores del artículo incluyen investigadores de unas dos docenas de instituciones en siete países. Este trabajo fue financiado por subvenciones de la NASA y la National Science Foundation.
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