Un agujero negro supermasivo (SMBH; el pequeño punto negro en el centro) aspira el material a su alrededor, que forma una forma de disco en espiral a medida que fluye hacia adentro. La energía gravitacional de la materia se convierte en radiación y se irradia fuera del disco. Los objetos pequeños y medianos con estos entornos brillantes se llaman cuásares. Crédito: Yoshiki Matsuoka
Los agujeros negros con masas excepcionalmente grandes (más de un millón de veces la masa del Sol, conocidos como agujeros negros supermasivos (SMBH, por sus siglas en inglés)) se encuentran comúnmente en el universo actual. Sin embargo, sus orígenes, así como los detalles de cuándo, dónde y cómo apareció a lo largo de 13.800 millones de años de evolución cósmica, siguen siendo un misterio.
Las investigaciones realizadas durante las últimas décadas indican que en el núcleo de cada galaxia residen galaxias pequeñas y extremadamente masivas, y que su masa es siempre una milésima de la masa de su galaxia anfitriona.
Esta estrecha relación indica que las galaxias y las galaxias ultramasivas han evolucionado juntas. Por lo tanto, revelar el origen de las estrellas masivas es crucial no sólo para comprender los propios planetas masivos, sino también para dilucidar los procesos de formación de galaxias, componentes clave del universo observable.
La clave para abordar este problema está en el inicio del universo, ya que ha pasado el tiempo desde que apareció el universo. la gran explosión (es decir, el comienzo del universo) fue hace menos de mil millones de años. Gracias a la velocidad finita de la luz, podemos mirar hacia el pasado observando el universo distante. ¿Existieron realmente objetos de tamaño pequeño y mediano cuando el universo tenía sólo mil millones de años o menos?
Un ejemplo de una imagen del cielo nocturno que tomamos con el Telescopio Subaru. El pequeño punto rojo en el centro de la imagen ampliada representa la luz proveniente de un quásar distante, que existía cuando el universo tenía 800 millones de años (13 mil millones de años luz). Crédito: Observatorio Astronómico Nacional de Japón
Es posible que Agujero negro ¿Ganar una masa tan grande (más de un millón de masas solares y, en ocasiones, miles de millones de masas solares) en tan poco tiempo? Si es así, ¿cuáles son los mecanismos y condiciones físicas subyacentes? Para aproximarse al origen de los objetos de tamaño pequeño y mediano es necesario observarlos y comparar sus propiedades con las predicciones de los modelos teóricos. Para hacer esto, primero es necesario determinar dónde se encuentran en el cielo.
El equipo de investigación utilizó el telescopio Subaru ubicado en la cima del Monte Maunakea en Hawaii para realizar este estudio. Una de las mayores ventajas de Subaru es su capacidad de vigilancia de área amplia, que es especialmente adecuada para este propósito.
Dado que los objetos ultrafinos no emiten luz, el equipo buscó una clase especial llamada cuásares: pequeños objetos ultrafinos con franjas brillantes donde el material que cae libera energía gravitacional. Observaron una amplia zona del cielo equivalente a 5.000 veces la luna llena y descubrieron con éxito 162 quásares que residían en el universo primitivo. En particular, 22 de estos quásares existieron en una época en la que el universo tenía menos de 800 millones de años, el período más antiguo en el que se han identificado quásares hasta la fecha.
La gran cantidad de cuásares descubiertos les permitió determinar una medida fundamental llamada «función de luminosidad», que describe la densidad espacial de los cuásares en función de la energía radiativa. Descubrieron que los quásares se estaban formando muy rápidamente en el universo primitivo, mientras que la forma general de la función de luminosidad (excepto la amplitud) permanecía sin cambios con el tiempo.
La función de luminosidad describe la densidad espacial (Φ en el eje vertical) en función de la energía radiativa (M1450 en el eje horizontal). Trazamos las funciones de luminosidad de los quásares observados cuando el Universo tenía 0,8 (puntos rojos), 0,9 (diamantes verdes), 1,2 (cuadrados azules) y 1,5 (triángulos negros) mil millones de años. Las curvas representan las formas funcionales más apropiadas. La densidad espacial de los quásares ha aumentado marcadamente con el tiempo, mientras que la forma de la función de luminosidad se ha mantenido casi sin cambios. Crédito: The Astrophysical Journal Letters, 949, L42, 2023
Este comportamiento distintivo de la función de luminosidad impone fuertes limitaciones a los modelos teóricos, que eventualmente pueden reproducir todos los elementos observables y describir el origen de los agujeros negros supermasivos.
Por otro lado, se sabía que el universo había atravesado una importante transición llamada “reionización cósmica” en su fase inicial. Observaciones anteriores indican que todo el espacio intergaláctico quedó ionizado en este evento. La fuente de la energía de ionización aún está en debate, siendo la radiación de los quásares un candidato prometedor.
Al incorporar la función de luminosidad anterior, encontramos que los cuásares emiten 1028 Fotones por segundo en unidad de volumen 1 Año luz Por un lado en el universo temprano. Esto representa menos del 1% de los fotones necesarios para mantener el estado ionizado del espacio intergaláctico en ese momento, y por lo tanto indica que los quásares hicieron sólo una contribución menor a la reionización cósmica. Se necesitan con urgencia otras fuentes de energía que, según otras observaciones recientes, pueden ser la radiación incorporada de estrellas masivas y calientes en la formación de galaxias.
Referencia: “Función de luminosidad del cuásar en z = 7” por Yoshiki Matsuoka, Masafusa Onoe, Kazushi Iwasawa, Michael A. Strauss, Nobunari Kashikawa, Takuma Izumi, Toru Nagao, Masatoshi Imanishi, Masayuki Akiyama, Jun D. Silverman, Naoko Asami, James Bush, Hisanori Furusawa, Tomotsugu Goto, James E. Gan, Yuichi Harikane, Hiroyuki Ikeda, Kohei Inayoshi, Rikako Ishimoto, Toshihiro Kawaguchi, Satoshi Kikuta, Kotaro Kohno, Yutaka Komiyama, Shin-Hsiu Lee, Robert H. Lupton, Takeo Minezaki, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Atsushi J. Nishizawa, Masamune Oguri, Yoshiaki Ono, Taira Oji, Masami Ochi, Paul A. Precio, Hiroaki Sameshima, Naoshi Sugiyama, Philip J. Tate, Masahiro Takada, Ayumi Takahashi, Tadafumi Takata, Masayuki Tanaka, Yoshiki Toba, Xiangyu Wang y Takuji Yamashita, 6 de junio de 2023. el Cartas de revistas astrofísicas.
doi: 10.3847/2041-8213/acd69f
El estudio fue financiado por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia, la Fundación Mitsubishi y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.
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