La pregunta de por qué en algunos cuásares las líneas de nitrógeno son inusualmente intensas se debate desde hace décadas. Algunos estudios lo explicaban por una alta metalicidad total del gas en la región de líneas anchas (BLR), mientras que otros lo atribuían a un enriquecimiento selectivo en nitrógeno. Sin embargo, no se había logrado separar directamente ambos efectos dentro de la BLR: las estimaciones previas de metalicidad se apoyaban en las líneas de nitrógeno y, por tanto, dependían del mecanismo de producción supuesto. El trabajo se inscribe en la línea de investigaciones sobre evolución química de cuásares y galaxias, pero se distingue porque por primera vez compara de forma sistemática indicadores de metalicidad con y sin nitrógeno para una gran muestra de cuásares N-loud y un grupo de control de cuásares normales emparejados.
Del catálogo DESI DR1 se seleccionaron 121 cuásares con líneas de nitrógeno anormalmente intensas (N-loud) en el rango de corrimiento al rojo 2.13–3.90. Para cada uno se emparejaron entre tres y cinco cuásares normales que coincidían en corrimiento al rojo, luminosidad del continuo y masa del agujero negro, estimada a partir de la línea C IV; además se construyó una muestra de control por masa a partir de la línea Mg II para comprobar la robustez. Todos los espectros se procesaron de manera uniforme: se restó un continuo de ley de potencias, se descompusieron las líneas en componentes con un perfil de doble ley de potencias y los flujos de las líneas se midieron con el método de Montecarlo. La metalicidad se estimó con modelos de fotoionización CLOUDY dentro del marco de la modelo de nubes localmente ópticamente delgadas (LOC), usando tanto relaciones de líneas con nitrógeno (N V/C IV, N III]/C III], N III]/O III]) como sin nitrógeno ((Si IV+O IV])/C IV, Al III/C IV).
Dentro de la muestra de cuásares N-loud, la metalicidad según N V/C IV es de aproximadamente 3–50 veces la solar, mientras que según el indicador libre de nitrógeno (Si IV+O IV])/C IV es en su mayoría de 1–20 veces la solar, con un exceso sistemático del primero sobre el segundo en promedio de 2.5 veces. Los dos indicadores libres de nitrógeno, (Si IV+O IV])/C IV y Al III/C IV, concuerdan bien entre sí. En comparación con la muestra de control, los cuásares N-loud tienen una metalicidad mediana de alrededor de 5 veces la solar frente a 1.5 veces la solar según (Si IV+O IV])/C IV, y de alrededor de 12 veces la solar frente a 4 veces la solar según N V/C IV. En la zona de solapamiento en metalicidad, la pendiente de la relación entre la estimación con nitrógeno y la libre de nitrógeno es significativamente más pronunciada en los cuásares N-loud (0.96 frente a 0.56, p=0.011), lo que indica un enriquecimiento adicional en nitrógeno que crece con la metalicidad total. Los excesos de las líneas se mantienen en todo el rango de masas de agujeros negros y de relaciones de Eddington, y para N V/C IV se apunta un aumento del exceso a menores masas y mayores tasas de acreción.
El trabajo separa por primera vez de forma directa la contribución de la metalicidad total y la del exceso relativo de nitrógeno en la BLR de cuásares con líneas de nitrógeno anormalmente intensas. A diferencia de estudios cercanos, que o bien se apoyaban solo en líneas de nitrógeno o bien estudiaban una región estrecha de líneas (NLR), aquí se aplican indicadores libres de nitrógeno a esa misma BLR y se compara con un grupo de control cuidadosamente emparejado. Esto permite afirmar que los cuásares N-loud no son solo más ricos en metales, sino que además poseen un exceso adicional de nitrógeno que no se describe con la producción secundaria estándar de nitrógeno. Un resultado así pone en duda la universalidad de la relación N/O con O/H y exige revisar los modelos de evolución química en los núcleos de galaxias.
El tema puede desarrollarse en varias direcciones. En primer lugar, ampliar la muestra de cuásares N-loud con masas fiables por Mg II y un conjunto completo de líneas ultravioleta permitirá comprobar con mayor rigor la dependencia del exceso de nitrógeno respecto a la metalicidad total y a las propiedades de la acreción. En segundo lugar, un modelado más flexible de las abundancias, en el que el nitrógeno varíe con independencia de la metalicidad, ayudará a cuantificar el exceso y a contrastarlo con las predicciones de escenarios concretos de enriquecimiento, como el viento estelar retardado de estrellas de la rama asintótica de las gigantes o el reprocesamiento del material en el disco de acreción. En tercer lugar, la comparación con sistemas con exceso de nitrógeno descubiertos recientemente a grandes corrimientos al rojo, incluidos objetos compactos del tipo «puntos rojos pequeños», puede aclarar si existe un mecanismo común de retención de gas químicamente procesado en entornos nucleares densos.
Los resultados influirán en los estudios de evolución química de galaxias y núcleos activos, así como en la interpretación de espectros de objetos lejanos, donde las líneas de nitrógeno se usan como indicador de metalicidad.
Construir una muestra mayor de cuásares N-loud con masas por Mg II y realizar un modelado con variación independiente de la abundancia de nitrógeno, para cuantificar el exceso y comprobar escenarios concretos de enriquecimiento.
El trabajo se relaciona directamente con el problema no resuelto del origen de las líneas de nitrógeno anormalmente intensas en los cuásares: si son consecuencia de una alta metalicidad total o de un enriquecimiento selectivo en nitrógeno. El resultado obtenido sobre la independencia parcial de la abundancia relativa de nitrógeno respecto a la metalicidad total indica la necesidad de revisar los modelos estándar de evolución química en los núcleos de galaxias y de buscar fuentes adicionales de nitrógeno.
Una metalicidad de 50 veces la solar significa que en el gas de la región de líneas anchas de algunos cuásares la proporción de elementos más pesados que el helio es 50 veces mayor que en el Sol. Además, el nitrógeno respecto al oxígeno es aún más abundante de lo que predice el modelo estándar de producción secundaria.