Las concepciones del artista sobre el agujero negro supermasivo más distante jamás descubierto, que es parte de un quásar de solo 690 millones de años después del Big Bang. Está rodeado de hidrógeno neutro, indicando que es del período llamado la época de la reionización, cuando se encendieron las primeras fuentes de luz del universo. Crédito:Robin Dienel, Institución Carnegie para la Ciencia
Un equipo de astrónomos, incluidos dos del MIT, ha detectado el agujero negro supermasivo más distante jamás observado. El agujero negro se encuentra en el centro de un cuásar ultrabrillante, cuya luz se emitió solo 690 millones de años después del Big Bang. Esa luz ha tardado alrededor de 13 mil millones de años en llegar a nosotros, un lapso de tiempo que es casi igual a la edad del universo.
Se calcula que el agujero negro es aproximadamente 800 millones de veces más masivo que nuestro sol:un Goliat según los estándares actuales y una anomalía relativa en el universo primitivo.
"Este es el único objeto que hemos observado de esta era, "dice Robert Simcoe, el profesor Francis L. Friedman de Física en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. "Tiene una masa extremadamente alta, y, sin embargo, el universo es tan joven que esta cosa no debería existir. El universo no tenía la edad suficiente para hacer un agujero negro tan grande. Es muy desconcertante ".
A la intriga del agujero negro se suma el entorno en el que se formó:los científicos han deducido que el agujero negro tomó forma justo cuando el universo estaba experimentando un cambio fundamental, de un entorno opaco dominado por hidrógeno neutro a uno en el que las primeras estrellas comenzaron a parpadear. A medida que se formaban más estrellas y galaxias, eventualmente generaron suficiente radiación para cambiar el hidrógeno de neutral, un estado en el que los electrones del hidrógeno están unidos a su núcleo, ionizado, en el que los electrones se liberan para recombinarse al azar. Este cambio de hidrógeno neutro a ionizado representó un cambio fundamental en el universo que ha persistido hasta el día de hoy.
El equipo cree que el agujero negro recién descubierto existía en un entorno que era casi medio neutral, mitad ionizado.
"Lo que hemos descubierto es que el universo tenía aproximadamente 50/50, es un momento en el que las primeras galaxias emergieron de sus capullos de gas neutro y comenzaron a brillar. "Dice Simcoe." Esta es la medida más precisa de ese tiempo, y una indicación real de cuándo se encendieron las primeras estrellas ".
Simcoe y la postdoctoral Monica L. Turner son los coautores del MIT de un artículo que detalla los resultados, publicado hoy en la revista Naturaleza . Los otros autores principales son de la Carnegie Institution for Science, en Pasadena, California.
La concepción del artista del agujero negro supermasivo más distante jamás descubierto, que es parte de un quásar de solo 690 millones de años después del Big Bang. Crédito:Robin Dienel, Institución Carnegie para la Ciencia.
Un cambio, a alta velocidad
El agujero negro fue detectado por Eduardo Bañados, un astrónomo en Carnegie, que encontró el objeto mientras buscaba a través de múltiples encuestas de todo el cielo, o mapas del universo distante. Bañados buscaba en particular cuásares, algunos de los objetos más brillantes del universo, que consisten en un agujero negro supermasivo rodeado de remolinos, acumulando discos de materia.
Después de identificar varios objetos de interés, Bañados se centró en ellos utilizando un instrumento conocido como FIRE (el Echellette de infrarrojos de puerto plegado), que fue construido por Simcoe y opera en los telescopios Magellan de 6,5 metros de diámetro en Chile. FIRE es un espectrómetro que clasifica objetos en función de sus espectros infrarrojos. La luz de muy lejos los primeros objetos cósmicos se desplazan hacia longitudes de onda más rojas en su viaje a través del universo, a medida que el universo se expande. Los astrónomos se refieren a este fenómeno similar al Doppler como "corrimiento al rojo"; cuanto más distante es un objeto, cuanto más se ha desplazado su luz hacia el rojo, o extremo infrarrojo del espectro. Cuanto mayor sea el corrimiento al rojo de un objeto, cuanto más lejos está, tanto en el espacio como en el tiempo.
Usando FUEGO, el equipo identificó uno de los objetos de Bañados como un quásar con un corrimiento al rojo de 7.5, lo que significa que el objeto emitía luz alrededor de 690 millones de años después del Big Bang. Basado en el corrimiento al rojo del quásar, los investigadores calcularon la masa del agujero negro en su centro y determinaron que es alrededor de 800 millones de veces la masa del sol.
"Algo hace que el gas dentro del cuásar se mueva a una velocidad muy alta, y el único fenómeno que sabemos que alcanza tales velocidades es la órbita alrededor de un agujero negro supermasivo, "Dice Simcoe.
Espectro de infrarrojo cercano combinado de Magellan / FIRE y Gemini / GNIRS del quásar J1342 + 0928. El recuadro muestra la línea MgII, que jugó un papel crucial en la determinación de la masa del agujero negro y se obtuvo utilizando GNIRS. Crédito:Bañados et al.
Cuando se encendieron las primeras estrellas
El cuásar recién identificado parece habitar un momento crucial en la historia del universo. Inmediatamente después del Big Bang, el universo se asemejaba a una sopa cósmica de calor, partículas extremadamente energéticas. A medida que el universo se expandió rápidamente, estas partículas se enfriaron y fusionaron en gas hidrógeno neutro durante una era que a veces se conoce como la edad oscura, un período sin fuentes de luz. Finalmente, la gravedad condensa la materia en las primeras estrellas y galaxias, que a su vez producía luz en forma de fotones. A medida que se encendían más estrellas en todo el universo, sus fotones reaccionaron con hidrógeno neutro, ionizar el gas y desencadenar lo que se conoce como la época de la reionización.
Simcoe, Bañados, y sus colegas creen que el cuásar recién descubierto existió durante esta transición fundamental, justo en el momento en que el universo estaba experimentando un cambio drástico en su elemento más abundante.
El nuevo agujero negro supermasivo J1342 + 0928 (estrella amarilla), que reside en un universo mayoritariamente neutral al borde del amanecer cósmico, es más distante que cualquier otro encontrado hasta la fecha (puntos amarillos). Crédito:Jinyi Yang, Universidad de Arizona; Reidar Hahn, Fermilab; M. Newhouse NOAO / AURA / NSF
Los investigadores utilizaron FIRE para determinar que una gran fracción del hidrógeno que rodea al cuásar es neutral. Extrapolaron de eso para estimar que el universo en su conjunto era probablemente mitad neutral y mitad ionizado en el momento en que observaron el cuásar. De esto, infirieron que las estrellas deben haber comenzado a encenderse durante este tiempo, 690 millones de años después del Big Bang.
"Esto se suma a nuestra comprensión de nuestro universo en general porque hemos identificado ese momento en el que el universo se encuentra en medio de esta transición muy rápida de neutral a ionizado, ", Dice Simcoe." Ahora tenemos las mediciones más precisas hasta la fecha de cuándo se encendieron las primeras estrellas ".
Hay un gran misterio que queda por resolver:¿cómo se formó un agujero negro de proporciones tan masivas tan temprano en la historia del universo? Se cree que los agujeros negros crecen al acrecentarse, o absorbiendo masa del entorno circundante. Agujeros negros extremadamente grandes, como el identificado por Simcoe y sus colegas, debería formarse durante períodos mucho más largos que 690 millones de años.
"Si comienzas con una semilla como una gran estrella, y dejar que crezca al máximo ritmo posible, y empezar en el momento del Big Bang, nunca podrías hacer algo con 800 millones de masas solares; es poco realista, "Dice Simcoe." Así que debe haber otra forma en que se formó. ¿Y cómo sucede exactamente eso? nadie lo sabe."
