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Un edificio de muchas plantas donde en cada piso brilla una luz de un tono distinto. Así, más o menos, es la región alrededor del agujero negro supermasivo en la galaxia IZw1. Solo que allí la luz no la emiten bombillas, sino átomos de hierro — FeII. La galaxia IZw1 es conocida desde hace tiempo entre los astrónomos como récord en brillo de estas líneas, pero hasta ahora no se había logrado explicar por qué el resplandor óptico (visible al ojo) y el infrarrojo (térmico) parecen nacer en condiciones distintas. El nuevo trabajo, por primera vez, lo une todo en una sola imagen.

Los autores tomaron los espectros reales de IZw1 — una especie de «arcoíris» de la luz de la galaxia — y los compararon con un modelo informático. El modelo probó decenas de opciones: dónde el gas es más denso, dónde más caliente, cuántos metales hay (los astrónomos llaman «metales» a todos los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio). Resultó que el resplandor óptico e infrarrojo del FeII se puede obtener a la vez si el gas tiene una densidad de $10^{11}$ a $10^{12}$ partículas por centímetro cúbico. Esto es miles de millones de veces más enrarecido que el aire, pero para las cercanías de un agujero negro es bastante normal. Se puede comparar con una cocina: en una olla de sopa flotan raros granos de pimienta — así, más o menos, están distribuidos los átomos de hierro en la nube.

El resultado más inesperado tiene que ver con la «iluminación». En el ultravioleta, el núcleo de la galaxia emite una línea muy brillante: la Lyman-alfa. Sus fotones, al entrar en las nubes, hacen que los átomos de FeII brillen, como una farola hace relucir el asfalto mojado. Este efecto — la fluorescencia — resultó ser el principal para el resplandor infrarrojo. En cambio, en el óptico mandan las colisiones: los átomos de hierro, al chocar con electrones libres, pasan a un estado excitado y emiten energía. Es decir, la misma «casa» se ilumina de dos maneras distintas: los pisos bajos, con un reflector; los altos, por golpes.

Así nació la idea de la estructura vertical: las nubes alrededor del agujero negro no son iguales. Tienen capas. El hierro infrarrojo y el oxígeno OI están más arriba, en regiones más enrarecidas. El hierro óptico y el calcio, más abajo, donde es más denso. Es como una empanadilla: el relleno está más profundo y los bordes son más finos. Antes los astrónomos discutían si se podía usar el calcio como sustituto del hierro óptico (cuyas líneas son difíciles de medir). Ahora está claro: se puede. El triplete de calcio es un excelente «sustituto».

El trabajo se basó en tres conjuntos modernos de datos sobre transiciones atómicas del FeII. El que mejor coincidió con las observaciones fue el catálogo de Smyth et al. (2019). Esto es importante porque sin constantes atómicas precisas, el modelado se convierte en adivinación. Ahora los astrónomos tienen una herramienta fiable para determinar, a partir del brillo del hierro, la densidad y la composición química del gas en las galaxias más lejanas — incluso allí donde el agujero negro apenas se está despertando.

Así, la luz de los «pisos» de hierro ha contado la vida en capas del gas alrededor del agujero negro — y ha dado la clave para descifrar los núcleos galácticos lejanos.