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Un antepasado de los agujeros negros supermasivos, descubierto en el amanecer cósmico

En el centro de las galaxias más masivas del Universo se encuentran los fenómenos extremadamente poderosos y energéticos conocidos como agujeros negros supermasivos (SMBH). Esto incluye el SMBH en el centro de la Vía Láctea, la misteriosa fuente de radio conocida como Sagitario A*. La presencia de estos agujeros negros hace que los núcleos de estas galaxias sean particularmente energéticos, es decir, un Núcleo galáctico activo (AGN), o un Quásar – y las hace eclipsar a todas las demás estrellas del disco galáctico combinadas.

Durante décadas, los astrónomos han buscado aprender más sobre los SMBH y su papel en la evolución del cosmos. Una pregunta particularmente candente es cómo se formaron los primeros SMBH en el Universo, lo que impondría restricciones sobre cómo influyeron en las galaxias a lo largo del tiempo. En un descubrimiento sorprendente, un equipo internacional observó la antepasado de un SMBH por primera vez. Este agujero negro (conocido como GNz7q) existió durante un período conocido como «Cosmic Dawn», mucho antes de lo esperado.

El equipo estuvo dirigido por el estudiante de posdoctorado Seiji Fujimoto y el profesor Gabriel Brammer de Centro Amanecer Cósmico (DAWN), un esfuerzo de colaboración entre la Universidad de Copenhague (UCPH) Instituto Niels Bohr y espacio DTU. A ellos se unieron investigadores de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU), la Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA), el Observatorio Astronómico de Romala Observatorio Europeo Austral (ESO), Observatorio de delegados sindicales, Observatorio de Ginebrala Instituto de Radioastronomía Milimétricay el Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO).

Como afirman en su artículo, GNz7q se descubrió en base a los datos del Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA. Según su análisis, el objeto tenía propiedades que se encontraban entre las de una galaxia y las de un cuásar. Esto los llevó a concluir que el objeto era el predecesor de un SMBH que existió hace más de 13 mil millones de años, solo 750 millones de años después del Big Bang. Esto coincide con el período conocido como «Amanecer Cósmico», cuando se formaron las primeras galaxias del Universo.

Si bien las simulaciones anteriores que modelaron la expansión cósmica han indicado que tales objetos existían en ese momento, esta es la primera vez que se observa un objeto de este tipo. Dice Fujimoto, becario postdoctoral del Instituto Niels Bohr, en un reciente UCPH comunicado de prensa:

«El objeto descubierto vincula dos poblaciones raras de objetos celestes, a saber, explosiones estelares polvorientas y cuásares brillantes, y por lo tanto ofrece una nueva vía para comprender el rápido crecimiento de los agujeros negros supermasivos en el universo primitivo».

Este ancestro potencial de un SMBH fue descubierto como parte del Hubble BIENES Norte (BENEFICIOS-N) estudio de campo, una de las vistas panorámicas más grandes del Universo primitivo en el espectro ultravioleta. Este sondeo incluyó unas 15.000 galaxias, 12.000 de las cuales se observó que tenían altas tasas de formación estelar. Uno de ellos era GNz7q, que era visible como fuente puntual roja gracias a Hubblecapacidades de espectroscopia sin rendija y generación de imágenes en el ultravioleta profundo (UV).

Un análisis posterior indicó que es extremadamente débil en términos de rayos X, lo que apunta a una única región compacta de formación de estrellas ultravioleta o un disco de acreción de agujeros negros en el núcleo polvoriento del estallido estelar. El equipo concluyó que las propiedades observadas coincidían con las predicciones realizadas por las simulaciones cosmológicas antes mencionadas utilizadas para recrear el ciclo de vida de las galaxias y los cuásares. Esto sugiere además que GNz7q está relacionado ancestralmente con los cuásares observados en épocas cósmicas más recientes.

Curiosamente, GNz7q se encontró en el centro de Hubble GOODS-N, que resulta ser uno de los campos de investigación más estudiados. El equipo solo pudo notarlo «oculto a simple vista» debido a los conjuntos de datos de múltiples longitudes de onda ricamente detallados de la encuesta. Sin estos, el objeto fácilmente habría pasado desapercibido ya que carece de las características distintivas que tenían los cuásares durante las primeras épocas del Universo.

Cosecha de GNz7q en el campo Hubble GOODS-North
Cosecha de GNz7q en el campo Hubble GOODS-North. Crédito: NASA/ESA/G. Illingworth (UCSC), P. Oesch (UCSC, Yale), R. Bouwens e I. Labbé (Leiden) y S. Fujimoto et al. (Centro Amanecer Cósmico)

“Muestra con qué frecuencia se pueden ocultar grandes descubrimientos justo frente a ti”, mencionado Bammer. Es poco probable que el hallazgo de GNz7q en la encuesta GOODS-N, relativamente pequeña, haya sido simplemente «pura suerte», sino que la prevalencia de estas fuentes puede, de hecho, ser significativamente mayor de lo que se pensaba anteriormente.

El descubrimiento está relacionado con cierto tipo de cuásares (objetos cuasi-estelares), particularmente aquellos que tienen tasas muy altas de formación de estrellas y polvo en el centro. Con los cuásares más antiguos, como los que se ven más cerca de la Vía Láctea, su luminosidad se debe a que los SMBH arrojan grandes cantidades de gas en órbita a su alrededor a velocidades relativistas (una fracción de la velocidad de la luz). A medida que el gas cae hacia el borde exterior del agujero negro (el horizonte de eventos), se calienta debido a la intensa fricción y libera grandes cantidades de energía en forma de luz y calor.

En contraste, las galaxias jóvenes con altas tasas de formación de estrellas cerca de sus núcleos provocan que liberen calor intenso y polvo cósmico. Este polvo absorbe la luz alrededor del SMBH, lo que hace que el cuásar brille intensamente en el espectro infrarrojo. En el caso de GNz7q, la tasa de formación de nuevas estrellas es 1.600 veces mayor que la de la Vía Láctea, lo que la hace más brillante en el espectro IR que cualquier objeto conocido que haya existido durante esta época del año. como brammer Explique:

«Comprender cómo se forman y crecen los agujeros negros supermasivos en el universo primitivo se ha convertido en un gran misterio. Los teóricos han predicho que estos agujeros negros experimentan una fase temprana de rápido crecimiento: un objeto compacto enrojecido por el polvo emerge de una galaxia estelar muy oscurecida por el polvo, luego se transforma en un objeto compacto luminoso no oscurecido que expulsa el gas y el polvo circundantes».

«Aunque ya se han encontrado cuásares brillantes incluso en las épocas más tempranas del universo, la fase de transición de rápido crecimiento del agujero negro y su anfitrión de estallido estelar no se habían encontrado en épocas similares. Además, las propiedades observadas están en excelente acuerdo con las simulaciones teóricas. y sugieren que GNz7q es el primer ejemplo de la transición de fase y el rápido crecimiento de los agujeros negros en el núcleo de la estrella polvorienta, un antepasado del agujero negro supermasivo posterior.

Impresión artística de un agujero negro supermasivo activo. Crédito: ESO/L. Calcada

En el futuro, el equipo espera construir sobre Telescopio espacial James Webb (JWST) para buscar sistemáticamente objetos similares. Entre su óptica de alta resolución y su sofisticado conjunto de cámaras infrarrojas y espectrómetros, el james webb podrá mirar cada vez más atrás en el tiempo y ver las primeras galaxias mientras aún se estaban formando. Esto dará a los astrónomos la capacidad de ver exactamente cómo han evolucionado desde entonces las galaxias y la estructura a gran escala del Universo. como fujimoto resumen:

«La caracterización completa de estos objetos y el sondeo de su evolución y la física subyacente con mucho mayor detalle será posible con el Telescopio James Webb. Una vez que esté en funcionamiento regular, Webb tendrá el poder de determinar de manera decisiva la verdadera frecuencia de estos agujeros negros de rápido crecimiento».

la james webb se unirán a otros instrumentos de próxima generación en los próximos años, incluidos telescopios espaciales como el de la NASA Nancy GraceRoman (RST) y Espectrofotómetro para la Historia del Universo, Época de Reionización y Explorador de Hielos (SPHEREx) y telescopios espaciales de la ESA Euclides, Ateneay Estudio principal de exoplanetas de detección remota infrarroja atmosférica (Ariel). Al mismo tiempo, los instrumentos terrestres como los de ESO Telescopio extremadamente grandela Telescopio Magallanes Gigantey el telescopio de treinta metros (TMT) también entrará en funcionamiento.

Usando una combinación de óptica avanzada, óptica adaptativa, coronógrafos y espectrómetros, estos observatorios observarán el Universo primitivo, revelando nuevos conocimientos sobre la materia oscura, la energía oscura y la evolución cósmica. Finalmente, las «edades oscuras» cósmicas que impidieron que los astrónomos estudiaran los primeros períodos del universo finalmente se disiparán.

El artículo que describe su investigación y hallazgos apareció recientemente en la revista científica Naturaleza. Asegúrese de ver esta animación de cómo sería hacer zoom en GNz7q, cortesía de Hubble ESA:

Otras lecturas: UCPH, Naturaleza