25 Feb / 2016

Los quásares. Misteriosos objetos en los confines del Universo

Los quásares, u objetos casi-estelares, fueron descubiertos a comienzos de la década de 1960 y en la actualidad se conocen más de 200.000. Inicialmente, y ante la apariencia que presentaban de objetos puntuales y en base a las líneas de emisión observadas en sus espectros, se consideraron estrellas. Sin embargo, un análisis más profundo del espectro arrojó un resultado inesperado. Estos objetos presentaban unos desplazamientos al rojo (z) muy elevados. Así por ejemplo 3C273 tenía un desplazamiento al rojo de 0,158 y 3C48 de 0,367. Como ya es sabido, y por la ley de Hubble, la distancia que nos separa a las galaxias (y otros objetos extragalácticos) es proporcional al desplazamiento al rojo que presenten (siempre teniendo en cuenta movimientos propios, que desvirtúa esta ley para objetos cercanos).
Actualmente las distancias estimadas para estos objetos, en base al desplazamiento al rojo medido, van desde 240 Mpc (z=0,06) hasta 6 Gpc (z=6,5. Nota: Mpc: megaparsec. Gpc: gigaparsec. 1 parsec equivale a 3,26 años luz). Otros estudios han presentado otra interesante característica en algunos quásares: presenta espectros de absorción, y estos pueden tener diferente desplazamiento al rojo que los de emisión.

Descubiertos por la radioastronomía, pero en el dominio de los rayos X

Inicialmente descubiertos mediante la radioastronomía, pronto se descubrió que su principal radiación emitida no era en la longitud de onda de radio. Es más, actualmente se cree que solamente un bajo porcentaje de ellos emite de forma potente en radio. La mayoría son potentes emisores en rayos X. Así por ejemplo, el observatorio Einstein de rayos X (HEAO-B) pronto mostró que al menos 100 de ellos eran poderosas fuentes en estas longitudes de onda. Es por ello que se considera una propiedad común a todos ellos la emisión en rayos X, y no en radio.

Aquí nos aparece el primer enigma. En base a la distancia a la que se estima que se encuentran, la luminosidad de estos cuerpos es enorme, del orden de 10^39 vatios (100 veces más que nuestra galaxia entera) emitidos desde volúmenes de pocos años luz cúbicos. Algunos investigadores se inclinaron rápidamente por indicar que la ley de Hubble no era aplicable a los quásares, y que éstos, se encontraban mucho más cerca de lo que se pensaba inicialmente. Sin embargo, pronto nuevas observaciones revelaron que la distancia estimada era correcta. Aparecían asociados a galaxias remotas con las que compartían un mismo desplazamiento al rojo.
Los modelos apuntan a que constituyen una etapa más dentro de la evolución galáctica. En un estado anterior al de las galaxias comunes tendríamos las galaxias Seyfert, que presentan un núcleo más brillante, y un disco más débil. En un paso anterior estarían los quásares, con un núcleo ultrabrillante y un disco apenas observable. Así lo reveló el Telescopio Espacial Hubble (HST) de la NASA en 2002, que con su instrumento ACS/HRC observó el disco galáctico alrededor de 3C273, el cual mostraba claras líneas de absorción estelar. Debido al brillo del núcleo, deslumbraba su entorno. Actualmente los modelos apuntan que los quásares poco activos en radio están asociados a estructuras espirales, mientras que los más activos, a elípticas.

Pero, ¿Cómo logran radiar semejante cantidad de energía? La opción más aceptada desde la década de 1970 es que la emiten desde un agujero negro central supermasivo. Ahora bien, esto nos lleva a dos nuevos problemas. En primer lugar, descubrir cómo se forma dicho agujero negro. Se bajaran varias posibilidades. Una de ellas es que una gigantesca nube colapsa gravitacionalmente. Otra posibilidad sería un cúmulo estelar gigante en el cual las estrellas colisionan y terminan colapsando en un único objeto supermasivo. La tercera posibilidad consistiría en estrellas supermasivas de al menos 100 masas solares, que explotan como supernovas, dando lugar a estrellas de neutrones de masa estelar. Estas estrellas de neutrones serían los embriones de los futuros agujeros negros supermasivos.

En segundo lugar, también surge la duda de como convierten la energía gravitacional en radiación. En este sentido, la teoría más aceptada sería la que indica su origen en discos de acreción alrededor del agujero negro. La radiación en rayos X vendría de la fricción en el propio disco, mientras que la de radio vendría de radiación sincrotrón generada a partir de campos eléctricos en los ejes de rotación (creados a partir de intensos campos magnéticos).
Que su posible fuente de energía sean agujeros negros supermasivos, unido a que podrían ser una etapa temprana en la evolución de las galaxias, nos lleva a otro enigma: ¿son los agujeros negros supermasivos elementos esenciales en la evolución galáctica? Todo apunta a que así es.
¿Movimientos más rápidos que la luz?
No es la primera vez que alguien propone (incorrectamente) como refutación de la teoría especial de la Relatividad ciertas observaciones de alta resolución de los quásares. En observaciones con tecnología VLBI (radioastronomía) se detectaron jets que observados a lo largo del tiempo, se alejaban uno de otro. Midiendo la separación angular año tras año se calculó la velocidad de separación. Si a es la separación angular entre ambos jets y D la distancia a la Tierra, es obvio que si los jets se desplazan perpendicularmente a la línea de observación la velocidad lineal de separación será v=D(da/dt). Si no son perpendiculares en su desplazamiento a la línea de observación, entonces la velocidad v será incluso mayor.
Pues bien, según estas observaciones, en algunos casos la velocidad v llegaba a ser 20c (c es la velocidad de la luz en el vacío), lo cual entra en contradicción directa con la teoría de la Relatividad de Einstein. Nuevamente muchos fueron los que propusieron que la medida de la distancia estaba mal realizada. Sin embargo hay diversos modelos que explican el fenómeno observado.
Una de ellos, conocido como ‘árbol de navidad’ (Christmas tree) compara el fenómeno con el de las luces de un árbol de navidad. Así, el encendido y apagado secuencial de las luces en cierto orden, produce un efecto de movimiento. Otra propuesta, ilustrada en la figura 3, sugiere que una gran cantidad de materia situada delante de los jets curva la trayectoria de luz de modo que por un efecto visual (lente gravitacional) tenemos la sensación de una separación entre las fuentes mayor que la real. Según el ángulo, podría explicarse efectos muy altos.

Sin embargo, el modelo más aceptado no requiere de una masa que actúe como lente gravitacional. La figura 4 lo ilustra. Sean dos jets A y B, estando A a 4 años luz más lejos que el B, y separados visualmente para nosotros 3 años luz (5 años luz realmente). A la distancia que se encuentran los quásares esta separación es muy pequeña -requisito para que este modelo sea válido-. 
El jet A emite un pulso dirigido hacia la Tierra. Posteriormente, el jet B emite otro pulso 6 años después. Supongamos que el pulso de A llegó a la Tierra en el año 2012. Debido a que A está 4 años luz más lejos de nosotros que B, el pulso emitido por B llegaría en 2014. Ahora bien, visto desde la Tierra únicamente advertiríamos que la diferencia entre los pulsos es de 2 años, mientras que su separación aparente es de 3 años luz, por lo que nos parecería que la velocidad de separación entre ambos, medida en años sucesivos, es de 1,5c (3 años/luz / 2 años).

Fondo de rayos X

Otro misterio -por si fuesen pocos- que ha rodeado a los quásares es el denominado fondo de rayos X. Las observaciones parecen apuntar a la existencia de una correlación entre la luminosidad del quásar en el óptico y en rayos X. A más luminosidad en el óptico, mayor radiación en rayos X.

Esto planteaba un serio problema: en base a las estimaciones de los quásares que podrían existir en el universo observable, la radiación de rayos X que se debería observar de fondo (regiones donde nuestras limitaciones instrumentales no nos permiten detectar objeto alguno) sería bastante superior a la que se realmente se observa (y esto sin incluir siquiera las contribuciones de galaxias y cúmulos de galaxias).

Hoy por hoy es aceptado que se ha sobreestimado la cantidad de estos objetos que realmente existen.

Referencias
– “Violent phenomena in the Universe“. Narlikar. Ed. Dover. 2007
– “Universe“. Freedman y Kaufmann III. Ed. Freeman. 2008
– “El Universo“. Favrod. Ed. Noguer. 1975

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