El gas caliente en galaxias elípticas y cúmulos emite en rayos X, pero su luminosidad observada es menor que la predicha por un modelo autosimilar con calentamiento puramente gravitacional. Esta discrepancia se conoce como el «problema de la entropía» en grupos de galaxias. Junto a este trabajo, en el archivo hay estudios sobre el gas caliente en grupos, agujeros negros como remolcadores y termómetros, y polvo golpeado por ondas invisibles. Todos ellos abordan, de una forma u otra, la influencia de los núcleos activos en el entorno, pero este artículo es el primero que abarca todo el rango de masas, desde galaxias elípticas individuales hasta cúmulos masivos, utilizando muestras seleccionadas ópticamente, libres de sesgos de rayos X.
Los autores partieron del perfil de entropía de simulaciones cosmológicas adiabáticas con un parámetro central η y supusieron que la actividad del agujero negro solo aumenta este parámetro. La densidad y la temperatura del gas se describieron con una ecuación de estado politrópica con índice γ=1.19±0.02, tomado de las observaciones de cúmulos X-COP. La entropía central se calibró con la relación observada entre la luminosidad bolométrica y la masa del halo, obtenida de observaciones apiladas de rayos X de eRosita para sistemas seleccionados ópticamente. El exceso de entropía ΔS se calculó como la diferencia entre la entropía del modelo y la entropía base de las simulaciones, integrando sobre la masa del gas, no sobre el radio, para tener en cuenta la expansión del gas al calentarse. El calor $Q_{heat}$ se obtuvo de la ecuación ΔS = $Q_{heat}$/$T_{heat}$ + $Q_{cool}$/$T_{cool}$, donde las temperaturas de calentamiento y enfriamiento se estimaron mediante modelos semianalíticos y semiempíricos de la historia de acreción de los agujeros negros.
Para una eficiencia de acreción canónica del 10%, los agujeros negros supermasivos termalizan entre el 1 y el 3% de su energía en el gas circundante. Este valor es casi constante en todo el rango de masas, de $10^{12}$ a $10^{15}$ masas solares. La comparación del calor inyectado por los agujeros negros con el calor radiado por el gas durante el tiempo de Hubble reveló dos regímenes. En galaxias elípticas y grupos con masa inferior a $10^{14}$ masas solares, el calor acumulado supera con creces las pérdidas por radiación, y el gas permanece en un estado de alta entropía mucho después de la época de los cuásares. En cúmulos con masa superior a $10^{14}$ masas solares, el calentamiento y el enfriamiento están en equilibrio autosostenido, y la mayor parte de la energía inyectada ya se ha radiado. Numéricamente, $Q_{heat}$ varía entre 2×$10^4$ y 4×$10^7$ masas solares multiplicadas por c², dependiendo de la masa del halo.
Este trabajo cuantifica por primera vez la relación entre el exceso de entropía del gas caliente y la liberación de energía de los agujeros negros supermasivos en todo el rango de masas, desde galaxias elípticas hasta cúmulos. A diferencia de estudios vecinos que se limitaban a cúmulos o usaban muestras seleccionadas por rayos X con sesgo hacia objetos brillantes, aquí se emplean sistemas seleccionados ópticamente y observaciones apiladas de eRosita, lo que elimina errores sistemáticos. La eficiencia de calentamiento obtenida, del 1 al 3%, es consistente con la fracción de energía mecánica en los chorros, lo que apunta a un mecanismo de retroalimentación mecánico, no radiativo.
El método propuesto puede extenderse a corrimientos al rojo más altos utilizando futuros instrumentos de rayos X como HUBS, AXIS y NewAthena. Esto permitirá rastrear la evolución de la entropía y el calentamiento a lo largo del tiempo cósmico y comprobar cómo cambia la eficiencia de la retroalimentación. También se puede refinar el modelo teniendo en cuenta la inhomogeneidad del gas y la posible dependencia del índice politrópico con la entropía central.
Los resultados influirán en los modelos semianalíticos de formación de galaxias y en las simulaciones cosmológicas hidrodinámicas, al fijar parámetros realistas de retroalimentación de núcleos activos. También ayudarán a interpretar las observaciones de rayos X de grupos y cúmulos.
Comprobar la predicción de bajas tasas de acreción en galaxias elípticas mediante la demografía de núcleos activos. Comparar el modelo con perfiles de entropía de alta resolución obtenidos para sistemas individuales.
Este trabajo conecta directamente dos problemas no resueltos de la astrofísica: el freno a la formación estelar en galaxias masivas y el mantenimiento del gas caliente en cúmulos frente al enfriamiento. La eficiencia de calentamiento obtenida permite cerrar el balance energético en los modelos de formación de galaxias, pero queda la cuestión del mecanismo exacto de transferencia de energía de los chorros al gas.
En el cúmulo Abell 85, el agujero negro central tiene una masa de 4×$10^{10}$ masas solares, uno de los agujeros negros más masivos confirmados dinámicamente. Si toda su energía en reposo se convirtiera en calor, bastaría para calentar todo el gas del cúmulo a temperaturas increíbles.
En la novela «Hyperion» de Dan Simmons, el TecnoNúcleo utiliza la energía de los agujeros negros para sus propios fines. Aquí, los agujeros negros actúan como reguladores naturales del calor, evitando el enfriamiento descontrolado de las galaxias.