Perseus A (i part III)

27
octubre
2023

En l'entrada anterior vam deixar oberta una pregunta: com és que pensem que els dolls de 3C 84 o totes les altres galàxies actives es generen en l'entorn dels forats negres si se suposa que aquests ho engulen tot, fins i tot la llum?

Hem explicat que les galàxies actives generen la radiació que observem en el procés de caiguda de matèria cap als forats negres que hi ha als seus nuclis. Segurament, l'aportació d'aquest gas prové de col·lisions galàctiques. N'hi ha dues opcions, o potser totes dues alhora: La galàxia més massiva 'furta' gas de la segona, o la interacció desestabilitza el gas de la primera, que perd energia i cau cap al nucli galàctic.

Sabem també que les galàxies tenen camps magnètics. Com els imants. El gas i el camp van de la maneta en aquest context: on va la corda, va el poal. Així doncs, sembla que quan el gas s'apropa al nucli, arrossega amb ell el camp. Com més s'apropa el conjunt al nucli, més compacte es fan el gas i el camp. Això fa augmentar la intensitat del camp magnètic. El procés és realment molt més complicat, i realment encara no tenim clares un parell de coses fonamentals: quins són els processos exactes que fan caure el gas i com arrossega el camp? En qualsevol cas, tant fa si ho entenem o no, el gas arriba al nucli, i això sembla clar.

Figura esquemàtica de l'enrotllament de les línies de camp, forçat per la rotació d'un forat negre. De Contopoulos, Nathanail i Stantzalis (Galaxies, 2017, 5, 21).

El següent pas és que el gas, distribuït en forma de disc, perd energia i acaba caient en les urpes del forat. Això ja ho sabíem, ho hem explicat. La part important ara és que el gas arrossega el camp magnètic amb ell. Matemàticament, modelitzem el camp magnètic com un seguit de línies, com si foren cordes (de fet, n'hi ha una certa semblança en el comportament). Les línies ixen del disc en direcció perpendicular, cap a fora, i en arribar al forat, s'hi ancoren. Ara ve el següent ingredient de la recepta: el forat negre gira sobre sí mateix. Les línies, ancorades i amb una tendència cap a la verticalitat, són forçades, retorçudes.

La seua resistència a ser forçades obliga el forat negre a invertir-hi energia. És precisament aquesta energia que extreu el camp magnètic de la rotació del forat negre la responsable de generar el doll. El camp magnètic enrotllat 'empeny' cap a fora. Per altra banda, les altes energies de la radiació en la regió permeten que la col·lisió de dos fotons (partícules de llum) puguen generar parells de partícula-anti-partícula (electró-positró). D'això n'haurem de parlar, sí. Però un altre dia, que ara estem amb açò altre. Aquests parells de partícula i anti-partícula constitueixen la primera contribució de matèria a un doll que, d'altra manera, seria inicialment només un flux de camp magnètic.

Tot això que he escrit fins ara sembla que ho haja escrit molt convençut, però la cosa ni està tan clara, ni és del tot evident. Sabem que el mecanisme pot funcionar i que segurament funciona en molts casos. Però, també en 3C 84? N'hi ha una altra opció, que consistiria a extreure matèria al llarg de les línies de camp magnètic que travessen el disc. Aquestes línies també s'enrotllarien per la rotació del gas, i es tombarien a mesura que aquest cau cap al forat i arrossega el camp a la regió del disc. Com que el material del disc cau més ràpid i la part que queda fora del disc ho fa més lentament, les línies acaben tombant cap a fora (veure la figura).

Esquema d'un disc d'acreció on les línies del camp magnètic són arrossegades cap al centre pel disc i això provoca que generen una estructura 'tombada' que facilita l'extracció de partícules del disc. Cortesia de Maxim Barkov.

Aquest doll seria més lent i estaria format per protons i electrons. Separats, perquè les temperatures són suficientment altes com per a que els àtoms d'hidrogen estiguen ionitzats.

En el cas de 3C 84 veiem dos filaments brillants al llarg del que suposem és la seua superfície. Es tracta d'una estructura buida, generada des del disc? Atesa la intensa interacció amb el medi a l'extrem dels filaments, això sembla poc probable. O potser a l'interior dels filaments n'hi ha una component més ràpida, generada en l'entorn de forat negre, que no veiem degut al reforçament Doppler?

Reforçament Doppler? Ara. Les partícules responsables de l'emissió de radiació no l'emeten de manera isòtropa si es propaguen a velocitats properes a la de la llum. En aquest cas emeten pràcticament tota la radiació en la direcció de propagació. Per tant, si no es propaguen prop de la direcció al observador (nosaltres) pot ben ocòrrer que no les veiem. Tanmateix, hi estan. Per això, pot ser tant que el doll de 3C 84 estiguera ple de partícules que emeten pràcticament tota la seua radiació (fins el límit dels nostres detectors) en la direcció de propagació, que no és la nostra. L'alternativa (que el doll estiga buit) sembla menys probable.

En resum, encara que no tenim completament clar quin és el procés dominant, o si ocorren tots dos al mateix temps, sabem que és possible extraure energia d'un forat negre. Per tant, no tot el que s'apropa a un forat n'acaba dins. Ens resten alguns detalls per entendre, però podem dir del cert que els dolls es formen en aquestes regions properes a l'abisme. Curiosament, els més potents d'aquests travessen distàncies enormes. Quina diferència, d'acabar dins del forat per sempre més a ser llençat des del nucli de la galàxia fins més enllà dels seus límits!

Manel Perucho és professor de la Facultat de Física de la Universitat de València i fa recerca sobre diferents escenaris astrofísics en què la relativitat juga un paper important. En particular, estudia l’evolució i impacte de dolls de plasma en galàxies actives o en estels binaris de raigs X i gamma.
Manel Perucho és professor de la Facultat de Física de la Universitat de València i fa recerca sobre diferents escenaris astrofísics en què la relativitat juga un paper important. En particular, estudia l’evolució i impacte de dolls de plasma en galàxies actives o en estels binaris de raigs X i gamma.