Los investigadores que utilizarán el próximo telescopio espacial James Webb de la NASA mapearán y modelarán el núcleo de la galaxia cercana Centaurus A.

Centaurus A es una galaxia gigante, pero sus apariciones en las observaciones de telescopios pueden ser engañosas. Las líneas de polvo oscuro y los cúmulos de estrellas azules jóvenes, que se entrecruzan en su región central, son evidentes en luz ultravioleta, visible e infrarroja cercana, pintando un paisaje bastante tenue. Pero al cambiar a imágenes de rayos X y luz de radio, comienza a desarrollarse una escena mucho más estridente: desde el núcleo de la galaxia elíptica deformada, han surgido chorros espectaculares de material de su agujero negro supermasivo activo, conocido como núcleo galáctico activo, enviando material al espacio mucho más allá de los límites de la galaxia.

¿Qué está sucediendo en su núcleo para causar toda esta actividad? Las próximas observaciones dirigidas por Nora Lützgendorf y Macarena García Marín de la Agencia Espacial Europea utilizando el telescopio espacial James Webb de la NASA permitirán a los investigadores mirar a través de su núcleo polvoriento en alta resolución por primera vez para comenzar a responder estas preguntas.

"Están sucediendo muchas cosas en Centaurus A," explica Lützgendorf. "El gas, el disco y las estrellas de la galaxia se mueven bajo la influencia de su agujero negro supermasivo central. Dado que la galaxia está tan cerca de nosotros, podremos usar Webb para crear mapas bidimensionales para ver cómo el gas y las estrellas se mueven en su región central, cómo son influenciadas por los chorros de su núcleo galáctico activo y, en última instancia, caracterizan mejor la masa de su agujero negro."

Presionemos "rebobinar" para revisar un poco de lo que ya se sabe sobre Centaurus A. Ha sido bien estudiada porque está relativamente cerca, a unos 13 millones de años luz de distancia, lo que significa que podemos resolver claramente la galaxia completa. El primer registro data de mediados de la década de 1800, pero los astrónomos perdieron el interés hasta la década de 1950 porque la galaxia parecía ser una galaxia elíptica tranquila, aunque deformada. Una vez que los investigadores pudieron comenzar a observar con radiotelescopios en las décadas de 1940 y 1950, Centaurus A se volvió radicalmente más interesante y sus chorros aparecieron a la vista. En 1954, los investigadores descubrieron que Centaurus A es el resultado de dos galaxias que se fusionaron, lo que luego se estimó que ocurrió hace 100 millones de años.

Con más observaciones a principios de la década de 2000, los investigadores estimaron que hace unos 10 millones de años, su núcleo galáctico activo lanzó chorros gemelos en direcciones opuestas. Cuando se examina a través del espectro electromagnético, desde los rayos X hasta la luz de radio, está claro que hay mucho más en esta historia que todavía tenemos que aprender.

"Los estudios de longitudes de onda múltiples de cualquier galaxia son como las capas de una cebolla. Cada longitud de onda muestra algo diferente," dijo Marín. "Con los instrumentos de infrarrojo cercano y medio de Webb, veremos gas y polvo mucho más fríos que en observaciones anteriores, y aprenderemos mucho más sobre el medio ambiente en el centro de la galaxia."

El equipo dirigido por Lützgendorf y Marín observará Centaurus A no solo tomando imágenes con Webb, sino recopilando datos conocidos como espectros, que esparcen la luz en sus longitudes de onda componentes como un arco iris. Los espectros de Webb revelarán información de alta resolución sobre las temperaturas, velocidades y composiciones del material en el centro de la galaxia.
 

En particular, el espectrógrafo de infrarrojo cercano de Webb (MIRI) proporcionará al equipo de investigación una combinación de datos: una imagen más un espectro dentro de cada píxel de esa imagen. Esto permitirá a los investigadores construir intrincados mapas 2D de los espectros que les ayudarán a identificar lo que está sucediendo detrás del velo de polvo en el centro y analizarlo desde muchos ángulos en profundidad.

Compare este estilo de modelado con el análisis de un jardín. De la misma manera que los botánicos clasifican las plantas basándose en conjuntos específicos de características, estos investigadores clasificarán los espectros del MIRI de Webb para construir "jardines" o modelos. "Si toma una instantánea de un jardín desde una gran distancia," explica Marín, "verá algo verde, pero con Webb, podremos ver hojas y flores individuales, sus tallos y tal vez la tierra debajo."

A medida que el equipo de investigación profundice en los espectros, construirán mapas de partes individuales del jardín, comparando un espectro con otro espectro cercano. Esto es análogo a determinar qué partes contienen qué especies de plantas basándose en comparaciones de "tallos," "hojas" y "flores" a medida que avanzan.

"Cuando se trata de análisis espectral, realizamos muchas comparaciones. Si comparo dos espectros en esta región, tal vez encuentre que lo que se observó contiene una población prominente de estrellas jóvenes. O confirme qué áreas son polvorientas y calientes. O tal vez identificaremos emisiones provenientes del núcleo galáctico activo."

En otras palabras, el "ecosistema" de espectros tiene muchos niveles, lo que permitirá al equipo definir con mejor precisión qué está presente y dónde está, lo que es posible gracias a los instrumentos infrarrojos especializados de Webb. Y, dado que estos estudios se basarán en muchos de los anteriores, los investigadores podrán confirmar, perfeccionar o abrir nuevos caminos mediante la identificación de nuevas características.

La combinación de imágenes y espectros proporcionada por NIRSpec y MIRI permitirá al equipo crear mapas de muy alta resolución de las velocidades del gas y las estrellas en el centro de Centaurus A. "Planeamos usar estos mapas para modelar cómo todo el disco en el centro de la galaxia se mueve para determinar con mayor precisión la masa del agujero negro," explica Lützgendorf.

Dado que los investigadores comprenden cómo la gravedad de un agujero negro gobierna la rotación de un gas cercano, pueden usar los datos de Webb para pesar el agujero negro en Centaurus A. Con un conjunto más completo de datos infrarrojos, también determinarán si diferentes partes del todos los gases se comportan según lo previsto.

Los investigadores también esperan abrir nuevos caminos. "Es posible que encontremos cosas que aún no hemos considerado," explica Lützgendorf. "En algunos aspectos, cubriremos un territorio completamente nuevo con Webb." Marín está totalmente de acuerdo y agrega que aprovechar una gran cantidad de datos existentes es invaluable. "Los aspectos más interesantes de estas observaciones es el potencial de nuevos descubrimientos," dijo. "Creo que podríamos encontrar algo que nos haga mirar hacia atrás a otros datos y reinterpretar lo que se vio antes."