Astrónomos descubren 83 agujeros negros supermasivos en el universo temprano

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Astrónomos de Japón, Taiwán y la Universidad de Princeton han descubierto 83 quásares alimentados por agujeros negros supermasivos en el universo distante, desde una época en que el universo tenía menos del 10 por ciento de su edad actual.

«Es notable que objetos tan grandes y densos pudieran formarse tan pronto después del Big Bang», dijo Michael Strauss, profesor de ciencias astrofísicas en la Universidad de Princeton, quien es uno de los coautores del estudio. «Comprender cómo se pueden formar los agujeros negros en el universo temprano, y qué tan comunes son, es un desafío para nuestros modelos cosmológicos».

Este hallazgo aumenta considerablemente la cantidad de agujeros negros conocidos en esa época y revela, por primera vez, qué tan comunes son al inicio de la historia del universo. Además, proporciona una nueva perspectiva sobre el efecto de los agujeros negros en el estado físico del gas en el universo temprano en sus primeros mil millones de años. La investigación aparece en una serie de cinco artículos publicados en The Astrophysical Journal y en las Publicaciones del Observatorio Astronómico de Japón.

Los agujeros negros supermasivos, que se encuentran en los centros de las galaxias, pueden ser millones o incluso miles de millones de veces más masivos que el Sol. Si bien prevalecen en la actualidad, no está claro cuándo se formaron por primera vez y cuántos existieron en el universo temprano distante. Un agujero negro supermasivo se hace visible cuando el gas se acumula en él, lo que hace que brille como un «quásar». Estudios anteriores han sido sensibles solo a los cuásares más raros, más luminosos, y por lo tanto a los agujeros negros más masivos. Los nuevos descubrimientos sondean la población de quásares más débiles, alimentados por agujeros negros con masas comparables a la mayoría de los agujeros negros que se ven en el universo actual.

El equipo de investigación utilizó datos tomados con un instrumento de vanguardia, «Hyper Suprime-Cam» (HSC), montado en el Telescopio Subaru del Observatorio Astronómico Nacional de Japón, que se encuentra en la cima del Maunakea en Hawai. HSC tiene un gigantesco campo de visión (1.77 grados a través, o siete veces el área de la luna llena) montado en uno de los telescopios más grandes del mundo. El equipo de HSC ha estado observando el cielo a lo largo de 300 noches de telescopios, repartidos en cinco años.

La luz de uno de los quásares más lejanos conocidos, alimentado por un agujero negro supermasivo que se encuentra a 13 mil millones de años luz de la Tierra. La imagen fue obtenida por el Hyper Suprime-Cam (HSC) montado en el Telescopio Subaru. Los otros objetos en el campo son principalmente estrellas en nuestra Vía Láctea o galaxias a lo largo de la línea de visión.
Imagen cortesía del Observatorio Astronómico Nacional de Japón.

El equipo seleccionó a los candidatos del quásar distante a partir de los datos confidenciales del rastreo del HSC. Luego llevaron a cabo una campaña de observación intensiva para obtener espectros de esos candidatos, utilizando tres telescopios: el telescopio Subaru; el Gran Telescopio Canarias en la isla de La Palma en Canarias, España; y el telescopio Géminis Sur en Chile. El rastreo ha revelado 83 quásares muy lejanos previamente desconocidos. Junto con los 17 quásares ya conocidos en la región del rastreo, los investigadores encontraron que hay aproximadamente un agujero negro supermasivo por año cúbico-luz-luz; en un lado y que cada uno sostendría un agujero negro supermasivo.

La muestra de quásares en este estudio se encuentra a unos 13 mil millones de años luz de la Tierra; en otras palabras, los estamos viendo como existían hace 13 mil millones de años. A medida que el Big Bang tuvo lugar hace 13.8 mil millones de años, estamos mirando hacia atrás en el tiempo, viendo estos quásares y agujeros negros supermasivos como aparecieron solo unos 800 millones de años después de la creación del universo (conocido).

Se acepta ampliamente que el hidrógeno en el universo una vez fue neutral, pero fue «reionizado», dividido en sus componentes protones y electrones, en la época en que nació la primera generación de estrellas, galaxias y agujeros negros supermasivos, en los primeros pocos cientos de millones de años después del Big Bang. Este es un hito de la historia cósmica, pero los astrónomos aún no saben qué es lo que proporcionó la increíble cantidad de energía requerida para causar la reionización. Una hipótesis convincente sugiere que hubo muchos más cuásares en el universo temprano de lo que se detectó anteriormente, y es su radiación integrada la que reioniza el universo.

«Sin embargo, el número de quásares que observamos muestra que este no es el caso», explicó Robert Lupton, doctor de Princeton y ex alumno que es un investigador científico senior en ciencias astrofísicas. «El número de cuásares vistos es significativamente menor que el necesario para explicar la reionización». Por lo tanto, la reionización fue causada por otra fuente de energía, probablemente muchas galaxias que comenzaron a formarse en el universo joven.

El presente estudio fue posible gracias a la capacidad de rastreo mundial del Subaru y el HSC. «Los cuásares que descubrimos serán un tema interesante para futuras observaciones de seguimiento con instalaciones actuales y futuras», dijo Yoshiki Matsuoka, un ex investigador postdoctoral de Princeton ahora en la Universidad de Ehime en Japón, quien dirigió el estudio. «También aprenderemos acerca de la formación y la evolución temprana de los agujeros negros supermasivos, al comparar la densidad numérica medida y la distribución de la luminosidad con las predicciones de los modelos teóricos».

Basándose en los resultados alcanzados hasta ahora, el equipo espera encontrar agujeros negros aún más distantes y descubrir cuándo apareció el primer agujero negro supermasivo en el universo.

Fuente: Phys.org

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