Una dona gigante en el núcleo de las galaxias

En el universo existen galaxias “anormales” cuyo núcleo puede ser más brillante que la luz combinada de todas sus estrellas. Estas se conocen como galaxias con núcleo activo (AGN, en inglés), y abarcan una amplia variedad de tipos, como cuásares, galaxias Seyfert (tipo 1 y 2), Blazares y Radiogalaxias. Un AGN se define como una región central que alberga un agujero negro supermasivo (SMBH, en inglés) rodeado por un disco de acreción de gas ionizado responsable de la intensa emisión nuclear.

El modelo unificado de AGN, el más aceptado por la comunidad científica, incluye componentes adicionales (ver Figura 1). Alrededor del disco de acreción, se encuentra la región de líneas anchas, compuesta por nubes de gas ionizado que se mueven a velocidades de ~10,000 km/s. Más allá, se localiza una estructura en forma de toro (una dona), compuesta principalmente por polvo, conocida como el toro de polvo. Este componente es clave para el modelo unificado, que propone que las distintas clases de AGN son un mismo fenómeno visto desde diferentes ángulos. Por ejemplo, cuando la línea de visión apunta directamente hacia el toro, este bloquea la región de líneas anchas y se observa una galaxia Seyfert tipo 2. Si el ángulo permite una visión libre de esta región, observamos una Seyfert tipo 1.

Este modelo ha perdurado durante décadas, volviéndose más complejo a medida que busca explicar nuevas características observadas en los distintos tipos de AGN, agregando componentes como chorros, vientos y regiones extendidas. Actualmente, numerosos estudios se centran en cada una de estas partes. En este artículo nos enfocamos en el toro de polvo.

Determinar sus propiedades físicas ha sido un desafío desde la década de 1990. Su estudio mediante imágenes directas está limitado por su pequeño tamaño relativo a la galaxia y la gran distancia a la que se encuentran estos objetos. Por ello, la mayoría de los análisis se han realizado mediante modelos teóricos que simulan su emisión infrarroja entre 1 y 50 micras, longitud de onda en la que el polvo emite radiación térmica. Estos modelos calculan la interacción de la luz del disco de acreción con el polvo del toro mediante técnicas de transferencia radiativa, que pueden ser numéricas o analíticas, e involucran múltiples suposiciones. Estas pueden introducir sesgos que expliquen las discrepancias entre modelos de distintos autores.

La mayoría de los modelos del toro de polvo asumen que el polvo está compuesto por granos de silicatos y grafito con tamaños y propiedades similares a los del polvo interestelar de nuestra galaxia. Aunque la forma toroidal ha producido los resultados más consistentes con las observaciones, aún no se descarta que otras geometrías puedan ajustarse mejor. Por ejemplo, se ha propuesto un disco delgado con un cono polar de polvo como alternativa viable. Además, la distribución espacial del polvo es otra variable fundamental: algunos modelos asumen una distribución homogénea, otros proponen una estructura grumosa con nubes de polvo separadas por vacío, y otros combinan ambas, dando lugar a un medio de dos fases.

En el Instituto de Radioastronomía y Astrofísica, como parte de mi proyecto de doctorado, hemos creado cientos de miles de modelos para determinar propiedades físicas del toro de polvo. Para ello, hemos empleado recursos computacionales de la UNAM y el código SKIRT, una herramienta avanzada que simula la física de la transferencia radiativa en entornos astrofísicos. Nuestros modelos nos han permitido estudiar de forma sistemática cómo influyen en la emisión infrarroja del toro de polvo tres factores principales: la geometría, la distribución espacial del polvo y su composición química. A diferencia de estudios anteriores que usualmente exploran solo uno o dos de estos factores, nuestro enfoque considera todos simultáneamente, lo que permite minimizar sesgos y obtener resultados más robustos.

Nuestros hallazgos recientes confirman que la emisión en el infrarrojo del toro depende significativamente de la composición química del polvo y su distribución, así como del ángulo desde el cual se observa. En particular, descubrimos que una distribución grumosa formada por granos grandes con una composición similar a la del polvo interestelar de la Vía Láctea reproduce mejor los espectros observados. Esto ayuda a que investigaciones subsecuentes puedan enfocarse en otros factores importantes como la forma de los granos de polvo y sus propiedades ópticas, o bien estudiar una muestra más grande de AGN con nuestros modelos.