noirlab2113es — Comunicado científico

Descubren 2 pares de agujeros negros en lejanas galaxias fusionadas

Gemini Norte identifica un par de cuásares que están más cerca el uno del otro que cualquier otro par descubierto en el Universo distante

6 Abril 2021

Los astrónomos descubrieron recientemente dos pares de cuásares cercanos entre sí, en el Universo distante. Observaciones de seguimiento realizadas con Gemini Norte distinguieron con espectroscopía uno de estos pares de cuásares distantes, luego de ser descubiertos con el Telescopio Espacial Hubble y la nave espacial Gaia. Los cuásares están más cerca el uno del otro que cualquier otro par descubierto tan lejos en el Universo, entregando evidencia sólida de la existencia de pares de agujeros negros supermasivos, además de información crucial sobre la fusión de galaxias en el Universo temprano.

Los cuásares de cada uno de los pares están separados apenas por 10 mil años luz de distancia, lo que sugiere que pertenecen a dos galaxias en fusión [1], y actualmente los vemos tal como eran hace aproximadamente 10 mil millones de años [2]. Los cuásares dobles son muy interesantes para los científicos, pero son muy raros —particularmente en los confines más lejanos del Universo—, y estos cuásares son los más distantes encontrados tan cerca el uno del otro.

“Estimamos que en el Universo distante, por cada mil cuásares, hay uno que es doble. Así que encontrar estos cuásares dobles es como encontrar una aguja en un pajar” comentó Yue Shen, astrónomo en la Universidad de Illinois y autor principal del artículo científico que anunció el descubrimiento.

Los cuásares son los núcleos muy brillantes de galaxias distantes, energizados por la frenética alimentación de los agujeros negros supermasivos [3]. Estos energéticos objetos afectan profundamente la formación y evolución de las galaxias, lo que convierte a las observaciones de pares de cuásares en el Universo temprano la única forma que tienen los astrónomos de investigar la evolución de las fusiones de galaxias. Los pares de cuásares también proveen un laboratorio natural para estudiar los procesos que conducen a la formación de agujeros negros supermasivos binarios.

“Esta es realmente la primera muestra de cuásares duales en el punto más alto de la época de formación de galaxias que podemos usar para examinar nuestras ideas sobre cómo los agujeros negros supermasivos se unen para formar eventualmente uno binario”, explicó la científica del equipo Nadia Zakamska, de la Universidad Johns Hopkins.

Hallar estos dos pares de cuásares fue un desafío enorme, que requirió un método nuevo que combina datos de diversos telescopios espaciales y otros situados en tierra, incluyendo uno de los telescopios de Gemini, un Programa de NOIRLab de NSF. Los pares de cuásares ubicados a estas enormes distancias, sólo se pueden distinguir utilizando telescopios capaces de realizar observaciones detalladas, tales como Hubble o Gemini, lo que conlleva un gran desafío, puesto que el tiempo de observación en estos telescopios es muy valioso para ser usado en sondear grandes áreas del cielo nocturno en busca de objetos astronómicos extraños.

Para focalizar su búsqueda, los investigadores primero identificaron 15 cuásares para una investigación más profunda utilizando el Sloan Digital Sky Survey, un mapa tridimensional de objetos en el cielo nocturno. Entonces, de esta lista de 15 cuásares, utilizaron observaciones de la nave espacial Gaia para identificar cuatro potenciales pares de cuásares [4]. Finalmente, estos candidatos fueron observados con el Telescopio Espacial Hubble, que distinguió visualmente dos pares de cuásares, otorgándole a este novedoso método una tasa de éxito del 50%.

Luego, el equipo de investigadores utilizó el Espectrógrafo Multi-Objeto de Gemini (GMOS por sus siglas en inglés) en Gemini Norte (ubicado en Maunakea, Hawai‘i) para verificar el descubrimiento e investigar a fondo uno de los pares de cuásares [5]. La sensibilidad de GMOS combinado con las excelentes condiciones de observación permitieron al equipo distinguir el espectro individual de ambos cuásares en el par [6]. Estos espectros proporcionaron al equipo mediciones independientes de la distancia a los cuásares y su composición, y confirmaron que eran de hecho un par de cuásares y no el alineamiento de un solo cuásar con una estrella en primer plano.

“Las observaciones de Gemini fueron de vital importancia para nuestro éxito porque proporcionaron espectros espacialmente diferenciados para entregar confirmaciones de corrimiento al rojo y espectroscópicas simultáneas para ambos cuásares”, explicó Yu-Ching Chen, un estudiante de posgrado de la Universidad de Illinois que está en el equipo de descubridores. “Este método rechazó sin ambigüedades posibles intrusos, debido a superposiciones fortuitas como la de sistemas no asociados de cuásar y estrella”, puntualizó.

Si bien los miembros del equipo confían en su descubrimiento, existe una pequeña posibilidad de que hayan observado imágenes dobles de cuásares individuales. Estos “dobles fantasmagóricos” se pueden formar por lentes gravitacionales, que ocurren cuando una galaxia masiva intermedia distorsiona y divide la luz de un objeto distante, lo que a menudo resulta en imágenes múltiples de tal objeto. Sin embargo, los investigadores están convencidos que esto es altamente improbable, porque no pudieron detectar ninguna galaxia en primer plano en sus observaciones.

Con la demostración de su exitoso método, los investigadores ahora planean buscar otros pares de cuásares, construyendo un censo de cuásaes dobles en el Universo temprano.

“Esta prueba de concepto, realmente demuestra que nuestra búsqueda específica de cuásares duales es muy eficiente”, destacó Hsiang-Chih Hwang, estudiante de posgrado de la Universidad John Hopkins e investigador principal de las observaciones de Hubble. “Esto abre una nueva dirección en la que podemos acumular un montón de sistemas para seguir, lo que anteriormente los astrónomos no eran capaces de lograr con las técnicas o los grupos de datos previos”.

“Esta emocionante investigación ilustra una vez más el potencial de descubrimiento al combinar datos de estudios archivados con observaciones nuevas y focalizadas de instalaciones de vanguardia”, agregó Martin Still, Jefe de Programa de Gemini en NSF. “Los telescopios de Gemini demuestran ser los instrumentos ideales para confirmar la identidad de estos agujeros negros y caracterizar su entorno”, concluyó.

Notas

[1] En comparación, nuestra galaxia, la Vía Láctea, tiene cerca de 100.000 años luz de diámetro.

[2] La distancia y el tiempo están entrelazados en astronomía. Mientras más lejos se encuentra el objeto, más tiempo demora su luz en llegar a nosotros en la Tierra. En el Sistema Solar, por ejemplo, la luz del Sol demora sobre 8 minutos en alcanzar la Tierra, lo que significa que vemos al Sol como era hace 8 minutos atrás. En escalas mayores, podemos observar galaxias distantes como eran hace miles de millones de años atrás, ofreciendo a los astrónomos una ventana al Universo primitivo. Un par de cuásares tiene un corrimiento al rojo de 2,17 y el otro par identificado espectroscópicamente por Gemini tiene un corrimiento al rojo de 2,95.

[3] A medida que estos agujeros negros consumen materia que cae de su entorno, producen un intenso torrente de radiación a través del espectro electromagnético. La cantidad de energía liberada es enorme, suficiente para eclipsar galaxias enteras, y convertir a los cuásares en balizas brillantes en el cielo nocturno.

[4] La nave espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea mide las posiciones y distancias de objetos astronómicos con una precisión minuciosa. Gaia establece o mide cómo las posiciones de las estrellas cambian sutilmente a medida que la Tierra orbita el Sol, un efecto conocido como paralaje. Los cuásares distantes están demasiado lejos de la Tierra como para tener paralajes medibles, pero los investigadores se dieron cuenta que los pares de cuásares podrían imitar el movimiento de estrellas cercanas. Si bien estos pares de cuásares parecen puntos individuales en los datos de Gaia, las fluctuaciones aleatorias en el brillo de cada cuásar podrían hacer que el par se parezca a una estrella cercana tambaleándose de un lado a otro. Identificar objetos con este aparente movimiento entrega al equipo una lista de pares de cuásares candidatos a investigaciones más profundas con Hubble.

[5] Las observaciones de Gemini se otorgaron a través del Tiempo Discrecional del Director (DDT por sus siglas en inglés), una pequeña porción de tiempo de observaciones que es reservada para probar nuevos métodos o respuestas a eventos astronómicos imprevistos. El DDT también puede ser utilizado para observaciones de alto riesgo y alta recompensa, como las realizadas en este descubrimiento.

[6] El espectro de emisión de un objeto astronómico es una medición que permite saber la intensidad de la luz del objeto en diferentes longitudes de onda. Esto puede proveer a los astrónomos información sobre las propiedades de un objeto, tales como su composición química, masa, temperatura y distancia.

Más Información

Esta investigación fue presentada en el artículo “A hidden population of high-redshift double quasars unveiled by astrometry” en la revista de Nature Astronomy.

El equipo estaba compuesto por Yue Shen (Department of Astronomy and National Center for Supercomputing Applications, University of Illinois at Urbana-Champaign), Yu-Ching Chen (Department of Astronomy, University of Illinois at Urbana-Champaign), Hsiang-Chih Hwang (Department of Physics and Astronomy, Johns Hopkins University), Xin Liu (Department of Astronomy and National Center for Supercomputing Applications, University of Illinois at Urbana-Champaign), Nadia Zakamska (Department of Physics and Astronomy, Johns Hopkins University), Masamune Oguri (Research Center for the Early Universe, Department of Physics, and Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, University of Tokyo), Jennifer I-Hsiu Li (Department of Astronomy, University of Illinois at Urbana-Champaign), Joseph Lazio (Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology), and Peter Breiding (Department of Physics and Astronomy, West Virginia University).

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