Divulgación Quásar

[Ricardo G. Silveira]

[FONT=Times New Roman]“Los quásares visibles muestran un corrimiento al rojo muy alto. El consenso científico es que esto es un efecto de la expansión métrica del Universo entre los quásares y la Tierra. Cuando se combinó con la Ley de Hubble, la implicación es que los quásares están muy distantes. Para ser observables a esas distancias, la energía de emisión de los quásares hace empequeñecer a casi todos los fenómenos astrofísicos conocidos en la galaxia, exceptuando comparativamente a eventos de duración breve como supernovas y GRB. Los quásares pueden fácilmente liberar energía a niveles iguales que la combinación de cientos de galaxias medianas. La luz producida sería equivalente a la de un billón de soles.”[/FONT]

[FONT=Times New Roman]Se dice que los quásares están alimentados por la acreción de materia de agujeros negros súper masivos en el núcleo de galaxias lejanas. Pero se desconoce a ciencia cierta el por que de la emisión de la gran cantidad de energía. ¿Me pregunto, cual es el origen de los quásares?[/FONT]

[alshain]

Re: Quásar

Fue Lynden-Bell el que propuso ya hace unos cuarenta años que los cuásares contienen agujeros negros supermasivos que dan lugar a su actividad. Esta idea es comúnmente aceptada hoy, y verificada en parte con el método de la reverberación que ya mencionamos en estos foros aquí y que traté en mi blog aquí. Por tanto, el orígen de los cuásares está ligado al orígen de esos agujeros. El problema en el modelo estándar de cosmología es la formación temprana de esos agujeros negros supermasivos.

Tras la recombinación del hidrógeno neutro unos 400.000 años tras el big-bang la materia bariónica empezó a colapsar gravitacionalmente. Antes, este proceso era dificultado por la radiación, que impedía la formación de hidrógeno neutro y ejercía con ello una presión muy grande sobre electrones y protones. Las primeras nubes en colapso gravitacional tenían una masa de unas 10.000 masas solares. Esta era su masa de Jeans tras la recombinación. En el proceso usual de la teoría de Jeans estas nubes se fragmentaron durante el colapso, y lo hicieron hasta que la nube fue capaz de enfriarse y evacuar calor para formar las primeras estrellas. Estas estrellas de populación III, a su vez, eran muy masivas debido a la falta de procesos de enfriamiento por transiciones en metales (inexistentes prácticamente al ser estos resultado de fusión estelar) y acabaron como supernovas probablemente formando agujeros negros.

Una posibilidad para la formación de agujeros negros supermasivos es la acreción de estos agujeros negros en un proceso jerárquico. No obstante, no está claro si esto es acaso demasiado lento en el marco del modelo cosmológico estándar. Una posibilidad alternativa es la de una segregación de masa tras la formación estelar, de forma similar a en un cúmulo globular y que lleva al colapso del núcleo interno del conjunto de estrellas (el interesado puede consultar esto). Otra posibilidad que también ha sido propuesta es que las estrellas no fuesen las primeras estructuras compactas y que algunas nubes iniciales colapsasen de alguna forma en un agujero negro directamente (probablemente a través de un estadio intermedio instable de una estrella enorme).

Una vez el agujero está formado, el proceso de choques entre nubes durante la formación galáctica le proporciona material suficiente para la acreción, la cual a su vez es el mecanismo de la alta luminosidad de los cuásares.

Un saludo.

[Chejo]

Re: Quásar

Actualmente se manejan una teorias de la exitencia de dos tipos de Agujeros negro: el primero de un agujero negro galacticos o de poca masa, y el otro de los agujeros negros supermasivos; la existencia de los agujeros negro super masivos es corroborada por la observacion , pues estos se encuentran por ejemplo en el centr ode las galaxias, ahora, estos agujeros negro (se cree) que se formaron instantes depues del Bing Bang ,se cree que los quasares son producto de un agujero super masivo y a demas de ser los pioneros de la formacion de galaxias......la pregunta es como se formo la galaxia???? eso aun esta en estudio(eso es lo que tegno entendido)....si esoty equivocado me corrigen jejejejejeje
Cuidat, ya cabo mi hora en la compu

[alshain]

Re: Quásar

La formación de las galaxias es un tema fascinante.

En el modelo estándar de cosmología todo empieza durante la fase inflacionaria de expansión, un instante tras el big-bang. Durante esta fase los efectos cuánticos dan lugar a inhomogeneidades en un fondo de densidad energética homogeneo. Estas inhomogeneidades irán creciendo y concentrarán materia a su alrededor debido a la gravitación. Inicialmente esta materia sólo puede ser materia oscura, ya que la materia bariónica no puede colapsar al estar acoplada a la radiación a través del scattering de Thomson.

Tras la recombinación y formación del hidrógeno neutro, la materia bariónica empieza a colapsar sobre los pozos de potencial preexistentes de materia oscura. Lo mencionado arriba sobre la formación de agujeros negros supermasivos es relevante aquí también, ya que las grandes galaxias se formaron probablemente alrededor de uno. Es decir, la formación del agujero fue muy temprana y su crecimiento fue mano a mano con la formación de la galaxia.

Las estructuras de materia bariónica iniciales no fueron extremadamente grandes como menciono arriba, por lo que la historia de formación es jerárquica, de estructuras menores a mayores. Gran cantidad de nubes bariónicas no pudieron colapsar al no ser su masa suficiente. Estos ambos hechos dan lugar probablemente a gran cantidad tanto de galaxias enanas como de galaxias oscuras hoy.

Las nubes iniciales con suficiente masa pudieron formar estrellas muy pronto y el colapso gravitacional se vió pronto acompañado de supernovas, vientos estelares y disipación de energía por otros medios. Esto, junto a las fuerzas de marea durante las colisiones, mermaron la efectividad del colapso y la formación galáctica. Gran cantidad de bariones están por tanto fuera de las galaxias.

Las primeras protogalaxias tras el comienzo de la formación estelar empezadon a adquirir forma y también momento angular. Se empezaron a formar discos galácticos y brazos espirales. Galaxias enanas colapsaron sobre las mayores y las galaxias se fueron juntando en cúmulos.

Esto es un rápido resumen, pero el tema es muy amplio y muy complejo.

Un saludo.

[pod]

Re: Quásar

Ya que estás con el tema, alshain, explicanos las diferentes formas en que se puede observar un núcleo activo de galaxia (¿o núcleo de galaxia activa? vete tú a saber...); quasar, BL lag (o algo así...), etc.

[Ricardo G. Silveira]

Re: Quásar

Ya que estás con el tema, alshain, explicanos las diferentes formas en que se puede observar un núcleo activo de galaxia (¿o núcleo de galaxia activa? vete tú a saber...); quasar, BL lag (o algo así...), etc.

[FONT=Times New Roman]Este tema es interesantísimo y me gusta mucho. Pod se me adelanto, iba a ser la misma pregunta acerca de las Galaxias activas. Leí que es cuando una fracción significativa de la radiación electromagnética que emite, no es debida a las componentes "normales" de una Galaxia; como son estrellas, polvo y gas interestelar.[/FONT]
[FONT=Times New Roman]También me gustaría saber por que lo desconozco en el Universo observable, cuantas Galaxias se han contabilizados hasta la fecha. Entiendo, que es una aproximación, ya que hay muros de Galaxias que tapan (no dejan ver) a las otras Galaxias que están detrás de éstas.[/FONT]

[FONT=Times New Roman]Saludos[/FONT]

[alshain]

Re: Quásar

Las galaxias activas son galaxias con un núcleo de actividad o luminosidad sobresaliente en alguna parte del espectro. El nombre común a esta variedad de fenómenos observados refleja también una naturaleza común que la proporciona la existencia de un disco de acreción.

El disco de acreción

El disco de acreción en estos casos circunda a un agujero negro supermasivo central. Generalmente la materia del disco de acreción cae hacia el agujero negro y la energía gravitacional es transformada en calor, haciendo que el disco emita radión térmica, usualmente en el ultravioleta extremo (que para galaxias activas se suele conocer como "big blue bump").

En general, la cantidad de materia por unidad de tiempo que puede caer en un agujero negro depende de la presión de la radiación que esta misma materia genera. Si la presión de radiación es muy grande aparece un límite, denominado límite de Eddington, en el cual existe un equilibrio hidroestático entre la presión de radiación y la gravitación de la materia. El cociente entre la luminosidad del disco de acreción y la luminosidad de Eddington, en definitiva la tasa de acreción, es uno de los factores más determinantes de la estructura y forma del disco de acreción.

Precisamente la forma del disco de acreción y su orientación relativa respecto a nosotros determina el tipo de fenómeno que observamos. Por ejemplo, un objeto Seyfert tipo 1 es el mismo que uno tipo 2 pero su orientación respecto a nosotros es diferente.

Las líneas de emisión

Por otro lado, esta emisión electromagnética del disco se observa como un continuo fuerte mas unas líneas anchas ("broad line region") y también unas líneas algo más estrechas ("narrow line region").

El continuo aparece debido a la emisión térmica cerca del agujero negro y las líneas anchas son debido a gas algo más lejano, aunque aún cercano, excitado por la emisión de continuo. El ensanchamiento de las líneas es consecuencia de un ensanchamiento Doppler, ya que el gas está suficiéntemente cerca del agujero negro como para rotar por su acción y también como para no poder ser resuelta tal rotación observacionalmente. Adicionalmente también se excita material más lejano que resulta en la emisión de líneas más estrechas, al no sufrir estas líneas ensanchamiento Doppler.

La corona

Otro componente, aunque no tan relevante, es la existencia de una denominada corona. A diferencia del disco de acreción la corona no es un componente que se espera encontrar en el núcleo de todas las galaxias activas.

La corona es un envolvente de electrones y protones muy energéticos los cuales interactúan con los fotones emitidos, dándoles aún más energía y convirtiéndolos en rayos-X (scattering de Compton inverso) y dando lugar a un continuo de rayos-X. Esta nube de electrones y protones se forma debido a la existencia de campos magnéticos como consecuencia de la carga eléctrica del agujero negro en rotación (lo que se conoce como mecanismo de Blandford-Znajek).

Los jets y la emisión de radio

Hay luego otra característica fundamental que es diferenciadora y clasifica a las galaxias activas en dos grupos básicamente. Se trata de la existencia de jets.

Los jets se forman cuando la materia es expelida por aceleraciones en el campo magnético. Presentan emisión de radio por sincrotrón y usualmente polarización de la radiación. Probablemente cierto fenómeno de jet aparezca siempre debido a los campos magnéticos, pero es un hecho que existen algunos núcleos de galaxias activas con jets potentísimos en la emisión de radio. Esto clasifica a las galaxias activas en radio-quiet y radio-loud.

Las galaxias activas radio-quiet se asume que corresponden con acreciones moderadas con agujeros negros de masa relativamente pequeña, mientras que las galaxias activas radio-loud corresponden con acreciones fuertes y agujeros negros de gran masa.

La variabilidad

Por último hay que mencionar la variabilidad. Este fenómeno se da de forma muy variada y tomando todas las observaciones se puede decir que aparece en todo el espectro electromagnético. Hay básicamente dos tipos, de corto plazo y de largo plazo.

En general, la variabilidad a corto plazo es un fenómeno que se cree nos dice algo sobre la forma del emisor en la región, como por ejemplo inhomogeneidades, flujos relativistas variables, etc. Para la variabilidad a largo plazo se postulan por ejemplo como causa cambios en la estructura del disco de acreción. No hay un modelo unificador para explicar la variabilidad en todo el espectro y la cantidad de hipótesis propuestas es variada.

Clasificación

Dejando de lado la emisión de contínuo, que es relativamente similar en todas las galaxias activas, se tienen por tanto las siguientes características: (i) líneas anchas y estrechas (ii) emisión de rayos-X (iii) emisión de radio (iv) polarización de la luz (v) variabilidad y (vi) tipo de galaxia en la que se encuentra el núcleo activo. Estas observaciones se reparten de la siguiente forma en las siguientes clases de objetos (clasificación según Carroll & Ostlie [1]):

• Galaxias Seyfert: Sus características generales son líneas anchas y estrechas, emisión de radio débil, emisión de rayos-X y gamma hasta 100 keV, tienen lugar en galaxias espirales, y presentan variabilidad. Se clasifican en tipo 1 y tipo 2. Las de tipo 1 son variables y tienen una emisión de rayos-X más fuerte que las de tipo 2, las cuales, a su vez, no presentan variabilidad.
  
• Cuásares: Sus características generales son líneas anchas y estrechas, emisión de radio, variabilidad, emisión de rayos X y gamma hasta 100 MeV. Se clasifican en radio-quiet y radio-loud. Las radio-loud presentan una fuerte emisión de radio y polarización.
  
• Galaxias radio: Sus características generales son emisión de radio fuerte (son radio-loud), tienen lugar en galaxias elípticas, y no presentan variabilidad. Se clasifican en BLRG (Broad Line Radio Galaxy) y Galaxias radio, NLRG (Narrow Line Radio Galaxy). Las BLRG presentan líneas anchas y adicionalmente polarización. Las NLRG presentan líneas estrechas.
  
• Blazars: Sus características generales son una emisión de radio muy fuerte con un jet en la línea de visión y polarización, además de variabilidad y una luminosidad muy alta. Se clasifican en objetos BL Lac que no tienen líneas y se encuentran todos a desplazamientos al rojo muy altos, y cuásares OVV (Optically Violent Variable) con líneas anchas y estrechas y mucho más luminosos que los objetos BL Lac.
  
• Por último están los objetos ULIRG (Ultra-Luminous Infrared Galaxy) que son cuásares envueltos en polvo interestelar, y los objetos LINER (Low-Ionization Nuclear Emission-line Regions) que son probablemente galaxias espirales con starburst o regiones de HII con emision fuerte.

Existen modelos que unifican las observaciones basandose en las características mencionadas arriba. Como hemos mencionado, por ejemplo, un objeto Seyfert tipo 1 es el mismo que uno tipo 2 pero su orientación respecto a nosotros es diferente. La unificación entre radio-quiet y radio-loud no parece del todo posible por un mismo modelo y aparentemente son clases de objetos diferentes debido a la naturaleza del disco de acreción, especialmente la tasa de acreción que ocurre en él. La imagen de abajo nos muestra cómo las diferentes observaciones pueden resultar de un mismo objeto:



Otra imagen más en la red para ilustrar la situación. La parte de arriba representa el modelo radio-loud y la de abajo el radio-quiet (son modelos diferentes, ya que, el jet, si existe, aparece en ambas direcciones):



Referencias

[1] An Introduction to Modern Astrophysics, Carroll & Ostlie
[2] Active galactic nucleus, wikipedia

[alshain]

Re: Quásar

[FONT=Times New Roman]También me gustaría saber por que lo desconozco en el Universo observable, cuantas Galaxias se han contabilizados hasta la fecha. Entiendo, que es una aproximación, ya que hay muros de Galaxias que tapan (no dejan ver) a las otras Galaxias que están detrás de éstas.[/FONT]

Un censo como el SDSS, que cubre gran parte del cielo, ha contado más o menos un millón de galaxias. Pero lo que también se puede hacer es extrapolar de observaciones concretas que no son censos. Por ejemplo, según la cantidad de galaxias que cuenta el Hubble Deep Field en una región pequeña del cielo, se puede extrapolar calculando que en toda región igual hay la misma cantidad. Una estimación de este tipo se hace en esta página y el resultado es que debe haber considerablemente más de $10^{10}$ galaxias en el volumen que el HDF puede alcanzar visualmente.

[Ricardo G. Silveira]

Re: Quásar

Un censo como el SDSS, que cubre gran parte del cielo, ha contado más o menos un millón de galaxias. Pero lo que también se puede hacer es extrapolar de observaciones concretas que no son censos. Por ejemplo, según la cantidad de galaxias que cuenta el Hubble Deep Field en una región pequeña del cielo, se puede extrapolar calculando que en toda región igual hay la misma cantidad. Una estimación de este tipo se hace en esta página y el resultado es que debe haber considerablemente más de $10^{10}$ galaxias en el volumen que el HDF puede alcanzar visualmente.

[FONT=Times New Roman]Siempre hay estimaciones en cuanto a la cantidad de Galaxias (como tambien de estrellas, en una Galaxia) hay otra estimacion que dice que son más de cien mil millones de Galaxias en el Universo observable.[/FONT]

[FONT=Times New Roman]Saludos[/FONT]

[FONT=Times New Roman]http://es.wikipedia.org/wiki/Galaxias[/FONT]

[alshain]

Re: Quásar

He aprovechado mi aportación anterior para hacer una entrada en mi blog sobre galaxias activas. El resultado lo he posteado aquí arriba editado la aportación anterior. Había un par de errores, pero además creo que ahora es algo más claro y los dibujos adjuntos que he encontrado son muy aclaratorios.

Un saludo.

[Ricardo G. Silveira]

Re: Quásar

He aprovechado mi aportación anterior para hacer una entrada en mi blog sobre galaxias activas. El resultado lo he posteado aquí arriba editado la aportación anterior. Había un par de errores, pero además creo que ahora es algo más claro y los dibujos adjuntos que he encontrado son muy aclaratorios.

Un saludo.

[FONT=Times New Roman]Claro que sí, los dibujos ayudan mucho (una imagen vale mas que mil palabras). Me pareció interesante poner aquí una serie de programas que salen en YouTube que ilustran las Galaxias, núcleos galácticos activos, cometas, agujero negro y el Big Rip (el gran desgarramiento o teoría de la expansión eterna). [/FONT]

[FONT=Times New Roman]Saludos[/FONT]

[FONT=Times New Roman]Galaxias[/FONT]
[FONT=Times New Roman]http://youtube.com/watch?v=lyDa1nJgk0k[/FONT]

[FONT=Times New Roman]Núcleos galácticos activos[/FONT]
[FONT=Times New Roman]http://youtube.com/watch?v=Bd4CbQHxzh4&feature=related[/FONT]

[FONT=Times New Roman]Cometas[/FONT]
[FONT=Times New Roman]http://youtube.com/watch?v=Pbwz1NkvDxM&feature=related[/FONT]

[FONT=Times New Roman]Agujero negro[/FONT]
[FONT=Times New Roman]http://youtube.com/watch?v=3QYVUvm3Uc4&feature=related[/FONT]

[FONT=Times New Roman]Expansión del Universo[/FONT]
[FONT=Times New Roman]http://youtube.com/watch?v=HHoa1H3vB5E[/FONT]

[Alriga]

Cuásars, Blazars y Galaxias Seyfert

Very Large Array (VLA) consigue la primera imagen directa de la estructura clave de las radiogalaxias. La estructura toroidal fue sugerida por los teóricos hace décadas pero no se había detectado hasta ahora.

Astrónomos utilizaron el VLA para crear la primera imagen directa de la zona polvorienta en forma de donut que rodea al agujero negro supermasivo en el centro de una de las radiogalaxias más poderosas del Universo. Esta es una característica que los teóricos publicaron por primera vez hace casi cuatro décadas como parte esencial de tales objetos.

Los científicos estudiaron Cygnus A, una galaxia a unos 760 millones de años luz de la Tierra. La galaxia alberga un agujero negro en su núcleo que es 2.500 millones de veces más masivo que el Sol. A medida que el poderoso tirón gravitacional del agujero negro atrae el material circundante, también impulsa chorros súper rápidos de material que se desplazan hacia afuera casi a la velocidad de la luz, produciendo espectaculares "lóbulos" de emisión de radio brillante.

"Motores centrales" accionados por el agujero negro producen emisión brillante en varias longitudes de onda, y los jets que se extienden más allá de la galaxia son comunes a muchas galaxias, pero muestran diferentes propiedades cuando se observan. Esas diferencias llevaron a una variedad de nombres, como Cuásars, Blazars o Galaxias Seyfert. Para explicar las diferencias, los teóricos construyeron un "modelo unificado" con un conjunto común de características que mostrarían diferentes propiedades dependiendo del ángulo desde el que se ven.

El modelo unificado incluye el agujero negro central, un disco giratorio de acreción que rodea el agujero negro y chorros que se expulsan hacia afuera desde los polos del disco. Además, para explicar por qué el mismo tipo de objeto se ve diferente cuando se ve desde diferentes ángulos, se incluye un "toro" grueso, polvoriento, en forma de donut, que rodea las partes internas. El toro oculta algunas características cuando se ve de lado, lo que lleva a diferencias aparentes para el observador, incluso para objetos intrínsecamente similares. Los astrónomos generalmente llaman a este conjunto común de características un Núcleo Galáctico Activo (AGN).

El toro es una parte esencial del fenómeno AGN y existe evidencia de tales estructuras en AGNs cercanos de menor luminosidad, pero nunca antes se había visto directamente una en una radio-galaxia tan brillante. El toro ayuda a explicar por qué los objetos conocidos con diferentes nombres (Cuásars, Blazars o Galaxias Seyfert) en realidad son lo mismo, solo se observan desde una perspectiva diferente.

El vídeo es muy explicativo:

(https://player.vimeo.com/video/327945315)

En la década de 1950, los astrónomos descubrieron objetos que emitían intensamente ondas de radio, pero que parecían estrellas puntuales similares a las de estrellas distantes cuando se observaban con telescopios en el espectro visible. En 1963, Maarten Schmidt, de Caltech, descubrió que uno de estos objetos era extremadamente distante, y más descubrimientos de este tipo siguieron rápidamente. Para explicar cómo estos objetos, denominados Quásars, podrían ser tan brillantes, los teóricos sugirieron que deben estar aprovechando la tremenda energía gravitatoria de los agujeros negros supermasivos. La combinación de agujero negro, el disco giratorio llamado disco de acreción y los jets se denominó el "motor central" responsable de la emisión de energía de los objetos.

El mismo tipo de motor central también pareció explicar las emisiones de otros tipos de objetos, incluidas radiogalaxias, blazars y galaxias de Seyfert. Sin embargo, cada uno mostró un conjunto diferente de propiedades. Los teóricos trabajaron para desarrollar un "esquema de unificación" para explicar cómo lo mismo podría parecer diferente. En 1977, se sugirió el oscurecimiento por polvo como un elemento de ese esquema. En un artículo de 1982, Robert Antonucci, de la Universidad de California, Santa Bárbara, presentó un dibujo de un toro opaco, un objeto en forma de donut, que rodea el motor central. A partir de ese momento, un toro oculto ha sido una característica común de la visión unificada de los astrónomos de todos los tipos de núcleos galácticos activos.

Cygnus A es el ejemplo más cercano de una potente radiogalaxia pues se halla 10 veces más cercana que cualquier otra con una emisión de radio similarmente potente. Esa proximidad ha permitido encontrar el toro en una imagen VLA de alta resolución del núcleo de la galaxia.

Las observaciones de VLA revelaron directamente el gas en el toro de Cygnus A, que tiene un radio de casi 900 años luz. Los modelos numéricos para el toro sugieren que el polvo está en nubes incrustadas en un gas grumoso.

Cygnus A, llamado así porque es el objeto de emisión de radio más poderoso en la constelación de Cygnus, fue descubierto en 1946 por el físico y radioastrónomo inglés JS Hey. Fue emparejado con una galaxia gigante de luz visible por Walter Baade y Rudolf Minkowski en 1951. Se convirtió en uno de los primeros objetivos del VLA poco después de su construcción a principios de los años ochenta. Las imágenes detalladas de VLA de Cygnus A publicadas en 1984 produjeron avances importantes en la comprensión de los astrónomos de tales galaxias.

VLA realizó un sorprendente descubrimiento en 2016: un nuevo objeto brillante cerca del centro de Cygnus A (nombrado "bright new object discovered in 2016" en la segunda imagen). Ese nuevo objeto es probablemente un segundo agujero negro supermasivo que recientemente encontró material nuevo que podría devorar, causando que produzca una emisión brillante de la misma manera que lo hace el agujero negro central. La existencia del segundo agujero negro, sugiere que Cygnus A se fusionó con otra galaxia en el pasado astronómicamente reciente. El estudio de este segundo agujero negro llevó hacia el actual descubrimiento del toro.

El estudio científico: Imaging the AGN Torus in Cygnus

Saludos.