Detectan cuásares duales brillando en el centro de galaxias en fusión

Gemini Norte ayudó a confirmar la naturaleza de esta unión que se convertirá en una galaxia elíptica gigante

5 Abril 2023

Utilizando una serie de telescopios en tierra y el espacio, que incluía a Gemini Norte en Hawai‘i, los astrónomos descubrieron un par de cuásares sumamente energéticos que se encuentran muy unidos, un signo distintivo de un par de galaxias fusionadas. El evento ocurrió cuando el Universo tenía sólo tres mil millones de años, lo que da cuenta de la evolución de las galaxias en el “mediodía cósmico”, un período en la historia del universo en el que las galaxias experimentaron violentas explosiones de formación estelar. Esta fusión representa un sistema a punto de convertirse en una galaxia elíptica gigante.

Las galaxias crecen y evolucionan de la unión con otras galaxias, lo que produce la mezcla de millones de estrellas, desencadena ráfagas de vigorosa formación estelar y, a menudo, alimenta a los agujeros negros supermasivos de cada galaxia, lo que termina produciendo luminosos cuásares que eclipsan a toda la galaxia. Algunas de estas fusiones se convertirán eventualmente en masivas galaxias elípticas que contienen agujeros negros con miles de millones de veces la masa de nuestro Sol. Si bien los astrónomos ya han observado una verdadera colección de galaxias en fusión con más de un cuásar en nuestro vecindario cósmico, los ejemplos más distantes que se observan cuando el universo tenía un cuarto de su edad actual, son bastante raros y extremadamente difíciles de encontrar.

Un equipo de astrónomos aprovechó un grupo de observatorios terrestres y espaciales, que incluyeron al telescopio de Gemini Norte —la mitad boreal del Observatorio Internacional Gemini, que opera NOIRLab de NSF y AURA—, para descubrir un par de agujeros negros supermasivos que se encontraban unidos estrechamente y alimentándose de forma muy activa. Este descubrimiento es la primera detección confirmada de un par de agujeros negros supermasivos en el “mediodía cósmico”, un período de formación estelar que ocurrió cuando el universo tenía apenas tres mil millones de años de edad.

Observaciones previas identificaron sistemas similares en las primeras etapas de fusión, cuando las dos galaxias podrían ser consideradas como entidades claramente separadas. Sin embargo, estos nuevos resultados muestran un par de cuásares brillando tan cerca el uno del otro, apenas a 10.000 años luz de distancia, que hace pensar que sus galaxias anfitrionas originales probablemente están en camino de convertirse en una única galaxia elíptica gigante.

Encontrar un par de agujeros negros supermasivos tan cerca el uno del otro en esa época del universo, es como tratar de encontrar la proverbial aguja en un pajar. El desafío aquí radica en que la mayor parte de los pares de agujeros negros se encuentran tan cerca que es difícil distinguirlos individualmente. Para detectar un sistema de este tipo, los dos agujeros negros supermasivos deben estar creciendo por acumulación y brillando como cuásares simultáneamente, condiciones que son extremadamente raras. Estadísticamente, por cada 100 agujeros negros supermasivos sólo uno debería estar creciendo por acumulación en un momento determinado.

Sin embargo, los astrónomos saben que el universo distante debería estar repleto de agujeros negros supermasivos incrustados al interior de galaxias en fusión. Los primeros indicios de un sistema de este tipo se hallaron en datos provenientes del Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA, que revelaron dos puntos de luz estrechamente alineados en el universo distante.

Para verificar la verdadera naturaleza de este sistema, el equipo buscó en la vasta base de datos del observatorio Gaia de ESA para encontrar que este sistema tenía una aparente “sacudida”, lo que podría ser el resultado de cambios esporádicos en la actividad de alimentación de un agujero negro.

Luego del hallazgo, el equipo utilizó dos instrumentos instalados en el Telescopio de Gemini Norte: el Espectrógrafo Multi-Objeto de Gemini (GMOS) y GNIRS. Ambos instrumentos proporcionaron al equipo mediciones independientes de las distancias a los cuásares y confirmó que los objetos eran dos cuásares y no una alineación aleatoria de un cuásar con una estrella en primer plano. Estudios posteriores con el Observatorio W.M. Keck, el Karl G. Jansky Very Large Array de NSF, y el Observatorio de rayos X Chandra de NASA, ayudaron a confirmar estas observaciones. 

“El proceso de confirmación no fue sencillo y fue necesario una serie de telescopios que cubrieran el espectro electromagnético desde los rayos X hasta las ondas de radio, para finalmente confirmar que este sistema es de hecho un par de cuásares, en vez de un cuásar individual con lentes gravitacionales”, explicó el astrónomo de la Universidad de Illinois y coautor del artículo de investigación, Yue Shen. 

“No vemos muchos cuásares dobles en esta época temprana (del universo). Y por eso este descubrimiento es tan emocionante. Saber acerca de la población progenitora de los agujeros negros nos informará eventualmente sobre la aparición de agujeros negros supermasivos en el universo temprano, y cuán frecuentes podrían ser esas fusiones”, señaló el estudiante graduado de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y autor principal del estudio publicado en la revista Nature. 

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NOIRLab de NSF (Laboratorio Nacional de Investigación en Astronomía Óptica-Infrarroja de NSF), el centro de EE. UU. para la astronomía óptica-infrarroja en tierra, opera el Observatorio internacional Gemini (una instalación de NSF, NRC–Canada, ANID–Chile, MCTIC–Brasil, MINCyT–Argentina y KASI – República de Corea), el Observatorio Nacional de Kitt Peak (KPNO), el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO), el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC) y el Observatorio Vera C. Rubin (operado en cooperación con el National Accelerator Laboratory (SLAC) del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). Está administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con NSF y tiene su sede en Tucson, Arizona. La comunidad astronómica tiene el honor de tener la oportunidad de realizar investigaciones astronómicas en Iolkam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, en Maunakea, en Hawai‘i, y en Cerro Tololo y Cerro Pachón en Chile. Reconocemos y apreciamos el importante rol cultural y la veneración que estos sitios tienen para la Nación Tohono O’odham, para la comunidad nativa de Hawai‘i y para las comunidades locales en Chile, respectivamente.

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Esta es una traducción del Comunicado de Prensa de NOIRLab noirlab2309.