A ojos del observatorio Chandra, el universo en Rayos X. La galaxia Centauro A.

Lanzado el 23 de Julio de 1999, el telescopio espacial para la observación en Rayos X Chandra (nombrado en honor del físico indio Subrahmanyan Chandrasekhar, uno de los fundadores de la astrofísica), nos ha dado información e imágenes espectaculares del universo que nos rodea en estos últimos casi 18 años de servicio.

En este artículo hacemos hincapié en como nos ha mostrado el observatorio espacial Chandra en sus observaciones a una de las galaxias más extensamente estudiadas en el hemisferio sur, Centauro A.

Esta galaxia se ubica a una distancia de unos 11 millones de años luz. Centauro A o NGC 5128, es el ejemplo más cercano de un tipo de galaxia llamada galaxia activa. Estas galaxias activas emiten grandes cantidades de radiación electromagnética desde su región compacta en su centro. Centauro A, es una gran galaxia de forma elíptica que muestra evidencia de explosiones repetidas, de un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia.

-Primeras imágenes de Chandra en rayos X de la galaxia el 10 de Septiembre de 1999, muestran el chorro de partículas de alta energía que surge desde el centro. Instrumento High Resolution Camera (HRC).

La imagen de Chandra de rayos X muestra una fuente brillante en el núcleo de la galaxia, esta es debido a un agujero negro supermasivo. El chorro principal que se extiende hacia la parte superior izquierda muy lejos de la galaxia es causado por la actividad explosiva emitida alrededor del agujero negro. También se puede ver un «contra-chorro» más pequeño que se extiende hacia la parte inferior derecha. El débil arco en la parte inferior derecha representa una onda de choque producida por partículas energéticas que se expanden lejos del núcleo. Numerosas fuentes puntuales de rayos X también son evidentes. Estas son probablemente debido a las estrellas de neutrones o los agujeros negros que están acumulando la materia de sus estrellas compañeras cercanas. Crédito: NASA/CXC/SAO

 

Centauro A (NGC 5128) en imagen óptica:

Crédito: AURA/NOAO/NSF

Imagen compuesta, rayos-X & óptica:

Imagen en rayos X de Chandra superpuesta con la imagen óptica de AURA/NOAO/NSF. La imagen óptica muestra que Centaurus A es una galaxia elíptica con enormes carriles de polvo a través del centro de la galaxia. Esto ha llevado a los astrónomos a especular que Centaurus A fue el sitio de una fusión entre una pequeña galaxia espiral y una galaxia elíptica grande hace varios cientos de millones de años atrás. Tal fusión podría haber proporcionado un gran suministro de gas para un agujero negro central que desencadenó la actividad explosiva actualmente observada. La enérgica región central, o núcleo, está oscurecida por estos carriles de polvo en las imágenes ópticas, pero brilla claramente en rayos X, al igual que las estructuras de chorro  que se extienden en cualquier dirección desde el núcleo más allá de los bordes de la galaxia.

La fuente central brillante, es el Núcleo Galáctico Activo (AGN) el cual parece albergar un agujero negro supermasivo. Chandra también detecta el chorro que emana del núcleo y numerosas fuentes de rayos X, todo bañado en rayos X difusos producidos por el gas ionizado a varios millones de grados llenando la galaxia.

Un equipo de científicos, dirigido por Ralph Kraft del Observatorio Astrofísico Smithsonian, están estudiando cada uno de estos componentes de la emisión de rayos X de Centauro A. La resolución de imágenes sin precedentes de Chandra, permite a los científicos intentar resolver claramente cada uno de estos distintos componentes de emisión de rayos X en un estudio detallado.

Las imágenes fueron creadas a partir de las observaciones de Chandra tomadas el 5 de diciembre de 1999 (35.900 segundos) y el 17 de mayo de 2000 (36, 500 segundos) con el Espectrómetro de Imágenes CCD avanzado (ACIS) como parte del programa HRC GTO.

Centaurus A
Crédito: NASA/SAO/R.Kraft et al.

 

Imagen óptica:

Crédiot: NASA/GSFC/SkyView

 

Ya se han identificado y estudiado más de 200 fuentes de rayos X similares a puntos luminosos en Centauro A. Debido a su distribución alrededor del centro de la galaxia, se cree que la mayoría de estas fuentes de rayos X son estrellas binarias en los que una estrella de neutrones o un agujero negro de tamaño grande, está acumulando materia de una estrella acompañante cercana. Otras pocas pueden ser restos de supernova o galaxias de fondo no relacionadas, más distantes. La comparación de la población binaria de rayos X de Centauro A con poblaciones de otras galaxias es importante para entender la historia evolutiva de las galaxias. Está quedando claro que hay variaciones significativas en las poblaciones binarias de rayos X de galaxias similares. La razón de esto es incierta, pero puede estar relacionada con diferencias en la historia de formación estelar o mecanismos para la creación de binarias de rayos X. La observación del chorro de rayos X en centauro A, ha proporcionado a los científicos algunas sorpresa. Se ha demostrado que la estructura de rayos X del chorro es significativamente diferente de la estructura observada de radio, y el chorro de rayos X es mucho más desigual de lo que originalmente se creía. Estos resultados han arrojado dudas sobre modelos teóricos  simples de cómo las partículas energéticas son expulsadas del núcleo activo y viajan a lo largo del chorro.

-7 de Agosto de 2002. Una nueva composición basándose en la imagen de Septiembre de 1999 mostraba nuevos rasgos de Centauro A, como sus arcos que parecen revelar una erupción gigante. Instrumento High Resolution Camera (HRC) High Energy Transmission.

La imagen compuesta de rayos X (azul), radio (rosa y verde) y óptico (naranja y amarillo) de la galaxia, presenta un impresionante cuadro de la galaxia activa. Una banda ancha de polvo y gas frío con chorros opuestos de partículas de alta energía explotan lejos del agujero negro supermasivo en el núcleo. Dos grandes arcos de rayos X que emiten gas caliente fueron descubiertos en las afueras de la galaxia en un plano perpendicular a los chorros.

Centaurus A Arcs
Crédito: X-ray (NASA/CXC/M. Karovska et al.); Radio 21-cm image (NRAO/VLA/J.Van Gorkom/Schminovich et al.), Radio continuum image (NRAO/VLA/J. Condon et al.); Optical (Digitized Sky Survey U.K. Schmidt Image/STScI)

Los arcos de gas parecen ser parte de un anillo proyectado de 25.000 años luz de diámetro. El tamaño y la ubicación del anillo indican que puede haber sido producido en una explosión titánica que se produjo hace unos diez millones de años.

Crédito: X-ray (NASA/CXC/M. Karovska et al.); Radio 21-cm image (NRAO/VLA/J.Van Gorkom/Schminovich et al.), Radio continuum image (NRAO/VLA/J. Condon et al.); Optical (Digitized Sky Survey U.K. Schmidt Image/STScI)

-Observaciones del 3 de septiembre de 2002. Instrumento Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS).

Se trata de una imagen compuesta de las observaciones de Chandra de rayos X (azul) y de radio VLA (rojo) que muestran los 4.000 años luz interiores del chorro magnetizado en Centauro A. Las regiones púrpuras son brillantes tanto en radio como en rayos X. El chorro se origina en las proximidades del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia (esquina inferior derecha de la imagen).

Crédito: X-ray: NASA/CXC/Bristol U./M. Hardcastle et al.; Radio: NRAO/AUI/NSF/Bristol U./M. Hardcastle

Las observaciones de radio (Imagen en rojo. Tomadas entre 1991 y 2002), mostraron que la parte interna del chorro se aleja del centro de la galaxia a velocidades de aproximadamente la mitad de la velocidad de la luz. La mayor parte de los rayos X del chorro se producen más lejos donde el chorro se detiene cuando se filtra a través del gas en la galaxia. La colisión del chorro con el gas galáctico genera una potente onda de choque que producen las partículas de alta energía responsables de los rayos X emitidos.

Imagen de radio. crédito NRAO/AUI

Debido a que el chorro de Centauro A está relativamente cerca (unos 11 millones de años luz), esta imagen ofrece una de las miradas más detalladas de la interacción de un chorro de partículas con el gas en su galaxia. Chorros (o jets) como el de Centauro A, son fenómenos generalizados en el cosmos y representan uno de los medios primarios para extraer energía de la vecindad de un agujero negro. Algunos chorros se extienden a distancias de un millón de años luz. Estos representan una fuente de energía principal para la galaxia y se piensa que puede afectar la evolución de la galaxia anfitriona y sus alrededores.

-El 9 de Enero de 2008, Una dramática nueva imagen obtenida por Chandra proporciona una de las mejores vistas hasta la fecha de los efectos de un agujero negro supermasivo activo. Chorros opuestos de partículas de alta energía se extienden hasta los confines exteriores de la galaxia y también son visibles numerosos agujeros negros más pequeños en los sistemas estelares binarios.

La imagen fue hecha de una observación ultraprofunda con el instrumento Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS) a la galaxia, equivalente a más de siete días de observaciones continuas.  En la imagen, los rayos X de baja energía son de color rojo, los rayos X de energía intermedia son verdes y los rayos X de energía más alta detectados por Chandra son de color azul. Las bandas verde oscuro y azul que se ejecutan casi perpendicular al chorro son los carriles de polvo interestelar que absorben los rayos X. Este carril de polvo se creó cuando Centauro A se fusionó con otra galaxia quizás hace 100 millones de años.

Crédito:  NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al

El prominente chorro de rayos X que se extiende 13.000 años luz apunta hacia la parte superior izquierda de la imagen, con un «contrachorro» más corto dirigido en dirección opuesta. Los astrónomos piensan que estos chorros son vehículos importantes para transportar energía desde el agujero negro hasta los confines de la galaxia afectando la velocidad a la que las estrellas se forman allí.

Imágenes en diferentes longitudes de onda.

Los electrones de alta energía que giran en espiral alrededor de las líneas de campo magnético producen la emisión de rayos X del chorro y del contra-chorro. Esta emisión descarga rápidamente la energía de los electrones, por lo que son continuamente reacelerados formando los rayos X. Características de nudos en los chorros detectados en la imagen de Chandra, muestran donde la aceleración de partículas a altas energías están ocurriendo actualmente, y proporciona pistas importantes para entender el proceso que acelera los electrones a velocidades cercanas a la luz.

La parte interna del chorro de rayos X cerca del agujero negro está dominada por estos nudos de emisión de rayos X, que probablemente provienen de ondas de choque causadas por el chorro. Más lejos del agujero negro hay más difusión de la emisión de rayos X en el chorro. La causa de la aceleración de partículas en esta parte del chorro es desconocida.

-30 de Enero de 2009. Instrumento Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS) fecha de observación entre el 22/03/2007 – 30/05/2007  total:199 horas.

Esta imagen de Centauro A muestra otra vista espectacular de la potencia de un agujero negro supermasivo. Chorros y lóbulos alimentados por el agujero negro central en esta galaxia son mostrados por datos submilimétricos (en color naranja) del telescopio Atacama Pathfinder Experiment  (APEX) en Chile y datos de rayos X (color azul) del Observatorio de Rayos X de Chandra. Los datos de luz visible del Wide Field Imager en el telescopio Max-Planck / ESO de 2,2 m, también ubicado en Chile, muestran el carril de polvo en la galaxia y las estrellas de fondo. Recordamos que el chorro de rayos X en la parte superior izquierda se extiende a unos 13.000 años luz del agujero negro y está viajando a aproximadamente la mitad de la velocidad de la luz.

Centaurus A
Crédito: X-ray: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al.; Submillimeter: MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al.; Optical: ESO/WFI

Imagen de Chandra en rayos X:

crédito: X-ray: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al.

– 6 de Febrero de 2014. Instrumento Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS). Basados en datos de observaciones del  05 de Diciembre de 1999 y 29 de Agosto de 2012. Total: 9 días 13 horas 57 minutos.

Crédito: X-ray: NASA/CXC/U.Birmingham/M.Burke et al.

Imagen con más de nueve días y medio de tiempo, tomadas entre 1999 y 2012. En esta imagen,  los rayos X de menor energía que detecta el observatorio Chandra, están en rojo, los rayos X de energía media son verdes, y los de mayor energía son azules.

Como en todas las imágenes de Centauro A de Chandra, ésta también muestra el espectacular chorro de material que sale,  generado por el gigantesco agujero negro en el centro de la galaxia. Esta nueva instantánea de alta energía de Centauro A también destaca el carril de polvo que envuelve alrededor de la galaxia.

Vista de Chandra de rayos X de baja energía.

Los datos almacenados en el extenso archivo de Chandra sobre Centauro A, proporcionan un rico recurso para una amplia gama de investigaciones científicas. Por ejemplo, los resultados sugieren que casi todos los objetos compactos que emiten rayos X, tenían masas que se dividían en dos categorías: menos del doble que el Sol, o más de cinco veces más grande que el Sol. Estos dos grupos corresponden a estrellas de neutrones y agujeros negros.

Esta brecha de masa puede ayudar a entender  la forma en que las estrellas masivas explotan. Los científicos esperan un límite superior en las estrellas masivas de neutrones, hasta el doble de la masa del Sol. Lo que es desconcertante es que los agujeros negros más pequeños parecen pesar alrededor de cinco veces la masa del Sol. Se observa que las estrellas tienen una gama continua de masas, y por lo tanto, esperaríamos que los agujeros negros continuaran donde las estrellas de neutrones se desvanecieron.

Aunque esta brecha de masa entre las estrellas de neutrones y los agujeros negros se ha visto en nuestra galaxia, la Vía Láctea, este nuevo resultado de Centauro A proporciona las primeras indicaciones de que la brecha se produce en galaxias más distantes. Si resulta ser omnipresente, puede significar que se requiere un tipo rápido y especial de colapso estelar para algunas explosiones de supernova.

-19 de Octubre de 2016. Instrumento Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS). Otro objeto similar a los encontrados en Centauro A que emite explosiones de rayos X.

El objeto se ilumina en rayos X por un factor de 100 en aproximadamente un minuto antes de volver al nivel anterior en aproximadamente una hora. Los astrónomos usaron datos de Chandra y XMM-Newton para hacer este descubrimiento.

NGC 5128 Flare

Es en la galaxia elíptica-lenticular NGC 4636, ubicada en la constelación de Virgo a 57 millones de años luz de nuestro planeta. En esta imagen, los rayos X de baja, media y alta energía están coloreados Rojo, verde y azul, y la ubicación de la fuente descubierta que fulgura emitiendo en rayos X (NGC 4643), se describe en el recuadro en la parte inferior izquierda.

La fuente estalla dramáticamente, convirtiéndose hasta cien veces más brillantes en rayos X en aproximadamente un minuto, antes de regresar constantemente a sus niveles originales de emisión rayos X aproximadamente una hora después. En su pico de emisión rayos X, estos objetos se califican como fuentes ultraluminosas de rayos X (ULXs) que emiten cientos a miles de veces más rayos X que los típicos sistemas binarios de rayos X donde una estrella está orbitando un agujero negro o estrella de neutrones. Al parecer, estas  fulguraciones de rayos X representan episodios de cuando la materia separada de una estrella compañera cae rápidamente sobre un agujero negro o estrella de neutrones. Esto podría suceder cuando el compañero hace su aproximación más cercana al objeto compacto en una órbita excéntrica. Otra explicación podría implicar que la materia caiga sobre un agujero negro de masa intermedia, con una masa de aproximadamente 800 veces la del Sol para una fuente, y 80 veces la del Sol para la otra. Cuando no están destellando, estas fuentes descubiertas parecen ser sistemas binarios normales donde un agujero negro o estrella de neutrones está tirando de material de una estrella compañera similar al Sol. Esto indica que las fulguraciones no alteran significativamente el sistema binario.

Desde su primera observación por Chandra en septiembre de 1999, Centauro A fue una demostración temprana de la ciencia espectacular que este poderoso observatorio de rayos X podía hacer. Actualmente los astrónomos continúan usando Chandra para estudiar esta galaxia elíptica activa con su espectacular chorro y un núcleo repleto de fuentes de rayos X.

Desde entonces, Chandra ha vuelto su atención a esta galaxia, cada vez reuniendo más datos. Y, como una vieja foto de familia que ha sido restaurada digitalmente, nuevas técnicas de procesamiento nos está proporcionando una nueva mirada a este viejo amigo galáctico.

Vídeo, Centauro A en 60 Segundos. Si lo desean pueden activar los subtítulos en español en las opciones que se ofrecen en la parte inferior derecha del vídeo:

                                       

Fuentes:

http://cxc.harvard.edu/cda/

http://chandra.harvard.edu/learn_cxc.html

http://chandra.harvard.edu/about/axaf_mission.html

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