Una variación extrema en el cuasar AO 0235+164

Gustavo E. Romero, Sergio A. Cellone, y Jorge A. Combi

Un grupo de investigadores del Instituto Argentino de Radioastronomía (IAR) y del Observatorio Astronómico de La Plata ha detectado recientemente variaciones de gran amplitud en la luminosidad del cuasar AO 0235+164. Dichas variaciones se observaron en noviembre de 1999 utilizando el telescopio "Jorge Sahade" del Complejo Astronómico El Leoncito (CASLEO, San Juan), perteneciente a la Universidad Nacional de La Plata y operado en colaboración con el CONICET y las Universidades Nacionales de Córdoba y San Juan.

El cuasar, más precisamente un objeto del tipo BL Lacerta o "blazar", es conocido por presentar cambios en su flujo luminoso, tanto en luz visible como en ondas de radio y en altas frecuencias. Sin embargo, la variación detectada por los astrofísicos platenses representa un verdadero "récord" en el tema, ya que AO 0235+164 casi triplicó su luminosidad en poco más de 24 horas entre el 5 y el 6 de noviembre de 1999. Sólo en la úlima de estas fechas la variación fue de más del 50% en 6 horas. Este comportamiento extremo pone a prueba los modelos teóricos propuestos para explicar el origen de la emisión luminosa en estos fascinantes objetos.

Los cuasares: núcleos activos de galaxias lejanas.

Desde su descubrimiento a mediados de la década del 60 los cuasares, debido a sus características únicas y extremas, han sido un reto para los astrofísicos. Visibles mediante el telescopio como puntos de luz poco llamativos, semejantes a estrellas débiles, un análisis detallado pronto muestra las sorprendentes propiedades de estos objetos. En particular, la luz que emiten se halla enrojecida, indicando que cuando la misma partió en su largo viaje hasta nosotros hace miles de millones de años, el Universo era mucho más joven y pequeño que en la actualidad. Es precisamente la expansión del Universo la responsable de que sean los objetos más lejanos los que más rapidamente parecen alejarse de nosotros, con velocidades que, en algunos cuasares, son apenas menores a la velocidad de la luz (trescientos mil km/seg, o sea más de mil millones de km/h).
Esta relación entre velocidad y distancia, conocida como "Ley de Hubble", es la clave para calcular distancias a objetos muy lejanos, obteniéndose para los cuasares valores realmente enormes. Por ejemplo, 3C 273 (el primer cuasar descubierto) se halla a unos 1900 millones de años luz de nosotros, mientras que para AO 0235+164 puede calcularse una distancia de 7900 millones de años luz.

Imagen de AO 0235+164 tomada con el telescopio de 2,15 m del Complejo Astronómico El Leoncito, San Juan, Argentina. Los objetos más brillantes son estrellas cercanas (de nuestra Galaxia).

Muchos cuasares son fuertes emisores de ondas de radio, de rayos-X y de rayos gamma, y esta emisión suele variar en lapsos de tiempo que van de días a años. De hecho, los primeros cuasares se descubrieron mediante radiotelescopios, de allí su nombre ``quasi stellar radio sources'', o brevemente ``quasars'', que significa ``fuentes de ondas de radio casi estelares''.
Varias son las características distintivas de los cuasares. En primer lugar, como el brillo observado de cualquier fuente luminosa disminuye con su distancia al cuadrado, los cuasares deben ser intrínsecamente muy brillantes, de lo contrario no podrían detectarse a distancias tan grandes. De hecho, la mayoría de estos objetos emiten una energía equivalente a varios billones de veces la que emite el Sol, o sea unas 10 veces más que toda nuestra galaxia, la Vía Láctea, llegando en muchos casos a superar a las galaxias más brillantes. El gran problema con los cuasares es que toda esa energía debe provenir de una región relativamente chica, no mucho mayor que nuestro Sistema Solar. Esto se deduce de sus rápidas variaciones de brillo: dado que nada puede moverse más rápido que la luz, un objeto del tamaño de una galaxia (varias decenas de miles de años luz de diámetro) no podría variar de brillo en pocas horas porque ningún fenómeno físico podría propagarse suficientemente rápido de un extremo al otro para producir una variación simultánea. Puesto de otra forma, aun si un objeto de 1 año luz de diámetro pudiese variar su brillo uniformemente, la luz de su extremo lejano nos llegaría 1 año después que la luz del extremo más cercano, borroneando toda variación.
El desafío es, entonces, encontrar un mecanismo físico capaz de generar más energía que toda una galaxia, pero con un tamaño no mucho mayor al de nuestro sistema solar (unas pocas horas-luz), y que a la vez explique las propiedades de los distintos tipos de cuasares conocidos.

Conviene recordar que, aún con un telescopio moderno, no es posible observar directamente detalle alguno en las regiones más internas (o sea, el "motor") de los cuasares, ya que por sus enormes distancias se ven como simples puntos luminosos. Todo avance en lo que podamos saber de ellos surgirá entonces de una cuidadosa comparación entre las observaciones y los modelos teóricos elaborados para explicarlas.

Representación esquemática de un cuasar, mostrando el agujero negro supermasivo, con su disco de acreción (en corte) y el doble jet de partículas de alta energía.

   

Es así que cuatro décadas de trabajo observacional y teórico nos llevan al siguiente panorama: los cuasares son los núcleos activos de galaxias distantes, y el mecanismo que genera su energía es completamente distinto al que opera en el Sol y las demás estrellas. El modelo más aceptado consiste en un gigantesco agujero negro que, con su fuerza de gravedad, arrastra material gaseoso de sus alrededores, acelerándolo y calentándolo a millones de grados de temperatura. Este material, cayendo al agujero negro, sería el responsable de la enorme luminosidad del cuasar.
De esta forma, el agujero negro, cuya masa es decenas de millones de veces la del Sol, se halla rodeado de un disco o ``rosquilla'' de material caliente. Parte de este material cae al agujero negro, pero otra parte es expelida a velocidades cercanas a la de la luz en dos ``chorros'' o ``jets'', responsables de la emisión de ondas de radio. Según sea el ángulo bajo el cual vemos a este sistema disco-jet, el cuasar presentará propiedades distintivas.
Sin embargo, aunque a grandes rasgos este modelo es aceptado por la mayoría de los astrofísicos, quedan muchos detalles sin explicación satisfactoria: ¿Cómo se originan y evolucionan los cuasares? ¿De dónde sale el gas que alimenta al ``monstruo'' central? ¿Cuáles son exactamente las diferencias físicas entre los distintos tipos de cuasares? ¿Cúal es el origen de las variaciones de brillo que ocurren en escalas de tiempo muy breves? Algunos de estos interrogantes son los que intenta responder el equipo de investigadores argentinos.

   

   

San Juan: puerta al Universo.

El Complejo Astronůmico El Leoncito, San Juan, Argentina
Desde 1996 los astrofísicos Romero, Cellone y Combi emprendieron un proyecto consistente en medir el flujo luminoso de una muestra de cuasares a fin de detectar posibles variaciones y estudiar estadísticamente las propiedades de los distintos tipos conocidos. Para ello se usa una cámara electrónica que, adosada a un telescopio, permite registrar la luz de objetos millones de veces menos brillantes que las estrellas más débiles que vemos, como es el caso de los cuasares dadas sus enormes distancias. Mediante software de computación adecuado, luego puede medirse con precisión el flujo luminoso del cuasar, determinando si existieron variaciones (típicamente entre el 2 y el 10%) a lo largo de las noches. Los resultados se interpretan dentro del marco de los modelos teóricos propuestos para estos objetos.

El telescopio "Jorge Sahade" del CASLEO
El telescopio del Complejo Astronómico El Leoncito (CASLEO), con su espejo primario de 2,15 m de diámetro, y ubicado a 2552 metros sobre el nivel del mar, bajo el cielo privilegiado de la precordillera sanjuanina, demostró ser muy adecuado para este proyecto científico. Desde 1996 Romero, Cellone y Combi han observado más de 25 cuasares, con muy buenos resultados.

En noviembre de 1999, los dos primeros viajaron a la provincia de San Juan para un nuevo turno de observación de 6 noches con el telescopio del CASLEO, esta vez con el plan de observar una muestra de cuasares emisores de rayos-X. El cielo despejado y el buen funcionamiento del instrumental parecían indicar que el proyecto se cumpliría según lo planeado. Sin embargo, al analizar los datos obtenidos las dos primeras noches, se comprobó que uno de los objetos, el cuasar AO 0235+164, había disminuido su brillo a la mitad del valor inicial. Una variación tan grande en menos de 48 hs es muy poco usual, por lo que el resto del turno se destinó al seguimiento de este objeto, midiendo su luz en dos longitudes de onda distintas.
Los hechos demostraron que el cambio de estrategia fue acertado. Sólo interrumpidos por unas pocas nubes durante una de las noches, los datos recogidos durante seis noches consecutivas representan el seguimiento más detallado de un cuasar experimentando una variación de brillo extrema. Para la cuarta noche el flujo luminoso de AO 0235+164 había caído aún más, pero al final de la quinta noche ya había recuperado su brillo original, aumentando 1,2 magnitudes (o sea un 300%) en 24 hs. De regreso en La Plata, el análisis definitivo de las observaciones permitió establecer propiedades importantes de los mecanismos físicos que operan en este sorprendente cuasar.

   

Curva de luz de AO 0235+164. Se muestra la variación de brillo (en magnitudes) durante las 6 noches de observación.
Una diferencia de 5 magnitudes corresponde a una variación de 100 veces en el brillo. (Menor magnitud indica mayor brillo.)
Los puntos alineados casi horizontalmente (abajo) correponden a una estrella de comparación, utilizada para verificar que las variaciones son reales y no se deben a problemas atmosféricos o instrumentales.

Un modelo para AO 0235+164.

Se han propuesto varios mecanismos para explicar las variaciones rápidas (es decir, en pocas horas) del flujo luminoso de los cuasares. Algunos involucran perturbaciones en la región más interna del disco de material caliente que rodea al agujero negro central del cuasar; otras, interacciones de ondas de choque relativistas con inhomogeneidades en los ya mencionados "jets".
Explicaciones alternativas se basan en procesos extrínsecos al cuasar en sí, como por ejemplo eventos de microlente gravitacional, es decir, la amplificación de la luz del cuasar debido al efecto gravitatorio de cuerpos compactos en una galaxia interpuesta en la misma línea de la visual.

Los modelos que involucran perturbaciones en el disco de acreción no pueden explicar variaciones de luminosidad tan bruscas como las detectadas en AO 0235+164, por lo que se descartan en este caso.
Se debe recurrir entonces a efectos relativistas, que se producen cuando una onda de choque se propaga a velocidades cercanas a la velocidad de la luz a lo largo de los "jets". En este caso, la interacción de esta onda de choque con turbulencias en el jet generaría las rápidas variaciones observadas. Sin embargo, esta variación no sería simultánea en distintas longitudes de onda, mientras que las observaciones de los astrofísicos argentinos muestran que, al menos una de las noches, AO 0235+164 varió simultáneamente en luz roja (longitud de onda larga) y en luz verde (longitud de onda corta). Investigaciones teóricas muy recientes sugieren que este comportamiento podría producirse si el jet está efectuando un movimiento de "cabeceo" debido a la acción de un campo magnético. En este caso, efectos basados en la Teoría de la Relatividad predicen que un pequeño cambio en el ángulo entre el jet y la dirección de la visual bastaría para producir las fuertes variaciones de luminosidad, simultáneas en ambos colores, que se han observado.

Finalmente, si bien no puede descartarse que lo observado corresponda a un evento de microlente gravitacional, la detección de dos fenómenos similares en noches consecutivas requeriría propiedades poco usuales en la galaxia que actuase como lente.
Para el futuro próximo, Romero, Cellone y Combi han programado observaciones simultáneas en longitudes de onda ópticas y de radio, para lo cual planean volver a usar el telescopio del CASLEO, pero esta vez en coordinación con un radiotelescopio en Sudáfrica. Si esta colaboración internacional da los resultados esperados, se podrá contar con más elementos para decidir entre los distintos modelos posibles, arrojando nueva luz sobre algunos de los objetos más fascinantes del Universo.


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Preguntas y comentarios:

(Fotos CASLEO: Guillermo Sierra)


Página de divulgación de Sergio A. Cellone