Los astrónomos descubren el quásar ‘monstruo’ del universo primitivo

Impresión artística del cuásar Pōniuāʻena, el primer cuásar en recibir un nombre indígena hawaiano. Crédito: Observatorio Internacional de Géminis / NOIRLab / NSF / AURA / P. Marenfeld

Los astrónomos han descubierto el cuásar más masivo conocido en el universo primitivo, que contiene un monstruoso agujero negro con una masa equivalente a 1.500 millones de soles. Designado formalmente como J1007 + 2115, el cuásar recién descubierto es uno de los dos únicos conocidos del mismo período cosmológico. Los cuásares son los objetos más enérgicos del universo, y desde su descubrimiento, los astrónomos han estado interesados ​​en determinar cuándo aparecieron por primera vez en nuestra historia cósmica.

En honor a su descubrimiento a través de telescopios en Maunakea, una montaña venerada en la cultura hawaiana, el quásar recibió el nombre hawaiano de Pōniuāʻena, que significa “fuente giratoria invisible de creación, rodeado de brillantez”. Es el primer cuásar en recibir un nombre indígena, que fue creado por 30 maestros de escuela de inmersión hawaianos durante un taller dirigido por el grupo A Hua He Inoa, un programa de nombres hawaiano dirigido por el ‘Centro de Astronomía Imiloa de Hawai’.

Según la teoría actual, los cuásares son impulsados ​​por agujeros negros supermasivos. A medida que los agujeros negros se tragan la materia circundante, como el polvo, el gas o incluso estrellas enteras, emiten enormes cantidades de energía, lo que resulta en luminosidades que superan a las galaxias enteras.

El agujero negro supermasivo que alimenta a Pōniuāʻena hace que este cuásar sea el objeto más distante y, por lo tanto, el más antiguo conocido en el universo que alberga un agujero negro que supera los mil millones de masas solares. De acuerdo con un nuevo estudiar Al documentar el descubrimiento del cuásar, la luz de Pōniuāʻena tardó 13.02 mil millones de años en llegar a la Tierra, comenzando su viaje solo 700 millones de años después del Big Bang.

“Es el primer monstruo de este tipo que conocemos”, dijo Jinyi Yang, investigador asociado postdoctoral en el Observatorio Steward de la Universidad de Arizona y autor principal del estudio, que se publicará en The Cartas Astrofísicas. “El tiempo fue demasiado corto para que creciera desde un pequeño agujero negro hasta el enorme tamaño que vemos”.

La cuestión de cómo podría materializarse un agujero negro tan masivo cuando el universo aún estaba en su infancia ha molestado a los astrónomos y cosmólogos durante mucho tiempo, dijo el coautor Xiaohui Fan, profesor de regentes y jefe asociado del Departamento de Astronomía de UArizona.

“Este descubrimiento presenta el mayor desafío para la teoría de la formación y el crecimiento de agujeros negros en el universo temprano”, dijo Fan.

La noción de que un agujero negro de proporciones Pōniuāʻenas podría haber evolucionado a partir de un agujero negro mucho más pequeño formado por el colapso de una sola estrella en tan poco tiempo ya que el Big Bang es casi imposible, según los modelos cosmológicos actuales.

En cambio, los autores del estudio sugieren que el cuásar habría tenido que comenzar como un agujero negro “semilla” que ya contiene la masa equivalente de 10,000 soles ya 100 millones de años después del Big Bang.

Los astrónomos descubren el quásar 'monstruo' del universo primitivo

Impresión artística de la formación del cuásar Pōniuā’ena, que comienza con un agujero negro semilla 100 millones de años después del Big Bang (izquierda), y luego crece hasta mil millones de masas solares 700 millones de años después del Big Bang (derecha). Crédito: Observatorio Internacional de Géminis / NOIRLab / NSF / AURA / P. Marenfeld

Una mirada retrospectiva a un universo joven

Pōniuāʻena fue descubierta a través de una búsqueda sistemática de los quásares más distantes. Comenzó con el equipo de investigación revisando grandes áreas como la encuesta de imágenes DECaLS, que utiliza la Cámara de Energía Oscura en el Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros ubicado en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo en Chile, y las imágenes UHS encuesta, que utiliza la cámara de campo ancho en el telescopio infrarrojo del Reino Unido, ubicado en Maunakea.

El equipo descubrió un posible cuásar en los datos y, en 2019, lo observó con telescopios, incluido el telescopio Gemini North y el Observatorio WM Keck, ambos en Maunakea. El telescopio de Magallanes en el Observatorio Las Campanas en Chile confirmó la existencia de Pōniuāʻena.

“Las observaciones con Géminis fueron críticas para obtener los espectros de infrarrojo cercano de alta calidad que nos proporcionaron la medición de la asombrosa masa del agujero negro”, dijo la coautora Feige Wang, miembro del Hubble de la NASA en el Observatorio Steward.

El descubrimiento de un cuásar desde los albores del cosmos proporciona a los investigadores una visión rara de una época en que el universo aún era joven y muy diferente de lo que vemos hoy, dijeron los investigadores.

La teoría actual sugiere que al comienzo del universo, después del Big Bang, los átomos estaban demasiado distantes entre sí para interactuar y formar estrellas y galaxias. El nacimiento de estrellas y galaxias como las conocemos ocurrió durante la Época de Reionización, unos 400 millones de años después del Big Bang.

“Después del Big Bang, el universo estaba muy frío, porque todavía no había estrellas; no había luz”, dijo Fan. “Las primeras estrellas y galaxias aparecieron entre 300 y 400 millones de años, y comenzaron a calentar el universo”.

Bajo la influencia del calentamiento, las moléculas de hidrógeno fueron despojadas de electrones en un proceso conocido como ionización. Este proceso duró solo unos pocos cientos de millones de años, un abrir y cerrar de ojos en la vida del universo, y es objeto de una investigación en curso.

El descubrimiento de cuásares como Pōniuāʻena, en lo profundo de la época de reionización, es un gran paso hacia la comprensión del proceso de reionización y la formación de los primeros agujeros negros supermasivos y galaxias masivas. Pōniuāʻena ha puesto nuevas e importantes restricciones en la evolución de la materia entre galaxias, conocido como el medio intergaláctico, durante la época de reionización.

“Parece que este quásar se detectó justo en el punto medio de ese período”, dijo Fan, “y el hecho de que podamos observar estos objetos nos ayuda a refinar lo que sucedió durante ese período”.

En 2018, el equipo de encuesta anunció el descubrimiento del cuásar más distante encontrado hasta la fecha. Designado como J1342 + 0928, ese objeto es 2 millones de años más viejo que Pōniuāʻena, una diferencia bastante insignificante para los estándares cósmicos, según Fan, que participó en ambos descubrimientos, que se realizaron utilizando el Observatorio Gemini internacional y el Observatorio Interamericano Cerro Tololo —Ambos programas del Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Óptica-Infrarroja de la Fundación Nacional de Ciencias.

“La diferencia de 2 millones de años luz de 13 mil millones lo hace bastante cercano a un empate”, dijo Fan.