Las turbulencias en el interior de cúmulos de núcleo frío

Esta es una instantánea de las temperatura del gas en una simulación por ordenador tridimensional de un cúmulo de núcleo frío. El anillo azul muestra el gas frío acretándose en el disco del agujero negro central; los chorros rojos y amarillos muestran el gas caliente expulsado por este disco. Burbujas más antiguas procedentes de estallidos anteiores son visibles en los extremos derecho e izquierdo de la imagen. La turbulencia generada por los chorros mezcla el material frío y caliente, el cual estabiliza la acreción y permite que el cúmulos realice su notable equilibrismo. Crédito: E. Scannapieco/ M. Brueggen / ASU Fulton High Performance Computing Initiative

Los cúmulos, las estructuras más grandes del universo, están compuestos por muchas galaxias, como la Vía Láctea. Un misterio acerca de los cúmulos es porqué el gas en los centros de algunas se enfría más rápidamente y se condensa pero no forma estrellas. Hasta hace poco, no existía ningún modelo que explicase satisfactoriamente cómo fue posible esto.

Evan Scannapieco, astrofísico teórico y profesor asistente en la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio en la Facultad de Artes Liberales y ciencias de la Universidad Estatal de Arizona, ha pasado gran parte de su carrera estudiando la evolución de galaxias y cúmulos. “Hay dos tipos de cúmulos: cúmulos de núcleo frío y cúmulos de núcleo no frío”, explica. “Los cúmulos de núcleo no frío no han tenido suficiente tiempo para enfriarse, mientras que los cúmulos de núcleo frío se enfrían rápidamente, aunque para nuestros estándares aún están muy calientes”.

Los telescopios de rayos-X han revolucionado nuestra comprensión de la actividad que tiene lugar dentro de los cúmulos de núcleo frío. Aunque estos cúmulos pueden contener cientos o incluso miles de galaxias, están hechos en gran parte de un gas muy caliente conocido como el medio intracumular. Este gas intergaláctico es sólo visible en telescopios de rayos-X, los cuales son capaces de cartografiar su temperatura y estructura. Estas observaciones muestran que el gas difuso se enfría rápidamente en los centros de los cúmulos de núcleo frío.

En el centro de cada uno de los cúmulos hay un agujero negro, miles de millones de veces más masivo que el Sol. Parte del medio enfriado llega hasta el denso disco alrededor del agujero negro, parte del mismo cae directamente en él, y parte sale disparado hacia fuera. Las imágenes de rayos-X muestran claramente estallidos similares a chorros de material expulsado, lo cual sucede en ciclos regulares.

Pero por qué estos estallidos son tan regulares, y por qué el gas enfriado nunca cae a temperaturas más bajas que podría llevar a una formación estelar sigue estando poco claro. Algún mecanismo desconocido estaba creando un impresionante equilibrismo.

“Parece como si los chorros procedentes de los agujeros negro fuesen de algún modo responsables de detener el enfriamiento”, dice Scannapieco, “pero hasta ahora nadie había sido capaz de determinar exactamente cómo”.

Scannapieco y Marcus Brüggen, profesor de la Universidad Jacobs en Bremen, Alemania, usaron la potencial de las supercomputadoras de ASU para desarrollar su propia simulación tridimensional del cúmulo de galaxias alrededor de uno de los agujeros negros más grandes del universo. Adaptando una aproximación desarrollada por Guy Dimonte en el Laboratorio Nacional de Los Álamos y Robert Tipton en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, Scannapieco y Brüggen añadieron un componente de turbulencias a las simulaciones, el cual nunca se había tenido antes en cuenta.

La turbulencia funciona asociada con el agujero negro para mantener el equilibrio. Sin la turbulencia, los chorros procedentes del agujero negro se harían cada vez más fuertes, y el gas se enfriaría catastróficamente en un nuevo enjambre de estrellas. Cuando se tiene en cuenta la turbulencia, el agujero negro no sólo equilibra el enfriamiento, sino que lo hace a través de ciclos de actividad regular.

“Cuando tienes un flujo de turbulencias, tienes movimientos aleatorios en todas las escalas”, explica Brüggen. “Cada chorro de material expulsado desde el disco crea una turbulencia que se mezcla con todo”.

Los resultados de Scannapieco y Brüggen, que se publican en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, revelan que la turbulencia actúa para mezclar de forma efectiva la región calentada con sus alrededores de forma que el gas frío no puede llegar hasta el agujero negro, evitando de esta forma la formación estelar.

Cada vez que algo de gas frío alcanza el agujero negro, sale disparado en un chorro. Esto genera turbulencias que mezclan el gas caliente con el gas frío. Esta mezcla se hace tan caliente que no se acreta en el agujero negro. Los chorros se paran y no hay nada que mantenga la turbulencia por lo que se apaga. En tal punto, el gas caliente no se mezcla más con el gas frío, por lo que el centro del cúmulo se enfría, y cae más gas al agujero negro.

Mucho antes, se forma otro chorro y el gas se mezcla de nuevo.

“Mejoramos nuestras simulaciones de tal forma que pudimos capturar esos diminutos movimientos de turbulencias”, explica Scannapieco. “Incluso aunque no podemos verlos, podemos estimar lo que harían. El tiempo que se necesita para que decaiga la turbulencia es exactamente el tiempo observado entre los estallidos”.


Fecha Original: 23 de julio de 2009
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Comment (1)

  1. Las turbulencias en el interior de cúmulos de núcleo frío…

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