Un equipo de astrónomos dirigido por la Universidad de Arizona ha observado un cuásar luminoso a 13.03 mil millones de años luz de la Tierra, el cuásar más distante descubierto hasta la fecha. Se remonta a 670 millones de años después del Big Bang, cuando el universo tenía solo el 5% de su edad actual, el quásar alberga un agujero negro supermasivo equivalente a la masa combinada de 1.600 millones de soles.

Además de ser el más distante y, por extensión, más antiguo:cuásar conocido, el objeto es el primero de su tipo en mostrar evidencia de un viento de gas sobrecalentado que sale de los alrededores del agujero negro a una quinta parte de la velocidad de la luz. Además de revelar un fuerte viento impulsado por un quásar, Las nuevas observaciones también muestran una intensa actividad de formación de estrellas en la galaxia anfitriona donde el quásar, formalmente designado J0313-1806, se encuentra.

Los investigadores presentarán sus hallazgos, que han sido aceptados para su publicación en Cartas de revistas astrofísicas , durante una conferencia de prensa y una charla científica en la 237a Reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense, que se llevará a cabo virtualmente del 11 al 15 de enero.

El poseedor del récord anterior entre los cuásares en el universo infantil fue descubierto hace tres años. El equipo de UArizona también contribuyó a ese descubrimiento. Se cree que los cuásares son el resultado de agujeros negros supermasivos que devoran la materia circundante, como el gas o incluso estrellas enteras, resultando en una vorágine de materia sobrecalentada conocida como un disco de acreción que gira alrededor del agujero negro. Debido a las enormes energías involucradas, Los quásares se encuentran entre las fuentes más brillantes del cosmos, a menudo eclipsando a sus galaxias anfitrionas.

Aunque J0313-1806 está solo a 20 millones de años luz más lejos que el poseedor del récord anterior, el nuevo quásar contiene un agujero negro supermasivo dos veces más pesado. Esto marca un avance significativo para la cosmología, ya que proporciona la restricción más fuerte hasta ahora sobre la formación de agujeros negros en el universo temprano.

"Esta es la evidencia más temprana de cómo un agujero negro supermasivo está afectando a su galaxia anfitriona a su alrededor, "dijo el autor principal del artículo, Feige Wang, un miembro del Hubble en el Observatorio Steward de UArizona. "A partir de observaciones de galaxias menos distantes, sabemos que esto tiene que pasar, pero nunca lo habíamos visto suceder tan temprano en el universo ".

Quásares que ya amasaron millones, si no miles de millones, de masas solares en sus agujeros negros en un momento en que el universo era muy joven plantean un desafío para los científicos que intentan explicar cómo llegaron a existir cuando apenas tenían tiempo para hacerlo. Una explicación comúnmente aceptada de la formación de un agujero negro implica que una estrella explota como una supernova al final de su vida y colapsa en un agujero negro. Cuando esos agujeros negros se fusionan con el tiempo, en teoría, pueden convertirse en agujeros negros supermasivos. Sin embargo, al igual que se necesitarían muchas vidas para construir un fondo de jubilación aportando un dólar cada año, los cuásares del universo temprano son un poco como los millonarios de los niños pequeños; deben haber adquirido su masa por otros medios.

El cuásar recién descubierto proporciona un nuevo punto de referencia al descartar dos modelos actuales de cómo se forman los agujeros negros supermasivos en escalas de tiempo tan cortas. En el primer modelo, estrellas masivas que consisten principalmente en hidrógeno y carecen de la mayoría de los otros elementos que forman las estrellas posteriores, incluidos los metales, forman la primera generación de estrellas en una galaxia joven y proporcionan el alimento para el agujero negro naciente. El segundo modelo involucra densos cúmulos de estrellas, que colapsan en un enorme agujero negro desde el principio.

Quasar J0313-1806, sin embargo, cuenta con un agujero negro demasiado masivo para ser explicado por los escenarios antes mencionados, según el equipo que lo descubrió. El equipo calculó que si el agujero negro en su centro se formó tan pronto como 100 millones de años después del Big Bang y creció lo más rápido posible, todavía habría tenido que tener al menos 10, 000 masas solares para empezar.

"Esto te dice que no importa lo que hagas, la semilla de este agujero negro debe haberse formado por un mecanismo diferente, "dijo el coautor Xiaohui Fan, Profesor Regents y jefe asociado del Departamento de Astronomía de Arizona. "En este caso, uno que involucra grandes cantidades de primordial, gas hidrógeno frío colapsando directamente en un agujero negro semilla ".

Debido a que este mecanismo no requiere estrellas en toda regla como materia prima, es el único que permitiría que el agujero negro supermasivo del quásar J0313-1806 creciera hasta 1.600 millones de masas solares en un momento tan temprano del universo. Esto es lo que hace que el nuevo cuásar de registros sea tan valioso, Fan explicó.

"Una vez que vaya a corrimientos al rojo más bajos, todos los modelos podrían explicar la existencia de esos cuásares menos distantes y menos masivos, ", dijo." Para que el agujero negro haya crecido hasta el tamaño que vemos con J0313-1806, tendría que haber comenzado con un agujero negro semilla de al menos 10, 000 masas solares, y eso solo sería posible en el escenario de colapso directo ".

El quásar recién descubierto parece ofrecer una visión poco común de la vida de una galaxia en los albores del universo cuando muchos de los procesos de formación de galaxias que desde entonces se han ralentizado o cesado en galaxias que han existido durante mucho más tiempo todavía estaban en pleno apogeo. .

Según los modelos actuales de evolución de galaxias, Los agujeros negros supermasivos que crecen en sus centros podrían ser la razón principal por la que las galaxias finalmente dejan de producir nuevas estrellas. Actuando como un soplete de proporciones cósmicas, los quásares atacan ferozmente sus alrededores, barriendo efectivamente su galaxia anfitriona limpia de gran parte del gas frío que sirve como materia prima a partir de la cual se forman las estrellas.

"Creemos que esos agujeros negros supermasivos fueron la razón por la que muchas de las grandes galaxias dejaron de formar estrellas en algún momento, ", Dijo Fan." Observamos esta 'atenuación' en corrimientos al rojo más bajos, pero hasta ahora no sabíamos qué tan temprano comenzó este proceso en la historia del universo. Este cuásar es la evidencia más temprana de que la extinción puede haber estado ocurriendo en tiempos muy tempranos ".

Midiendo la luminosidad del quásar, El equipo de Wang calculó que el agujero negro supermasivo en su centro ingiere la masa equivalente a 25 soles cada año. de media, que se cree que es la razón principal de su viento de plasma caliente de alta velocidad que sopla en la galaxia a su alrededor a una velocidad relativista. Para comparacion, el agujero negro en el centro de la Vía Láctea se ha vuelto casi inactivo.

Y mientras que la Vía Láctea forma estrellas al ritmo pausado de aproximadamente una masa solar cada año, J0313-1806 produce 200 masas solares en el mismo período de tiempo.

"Esta es una tasa de formación de estrellas relativamente alta, similar a la observada en otros quásares de edad similar, y nos dice que la galaxia anfitriona está creciendo muy rápido, "Dijo Wang.

"Estos cuásares presumiblemente todavía están en el proceso de construir sus agujeros negros supermasivos", agregó Fan. "Tiempo extraordinario, el flujo de salida del quásar calienta y empuja todo el gas fuera de la galaxia, y luego al agujero negro ya no le queda nada para comer y dejará de crecer. Esta es una prueba de cómo crecen estas primeras galaxias masivas y sus quásares ".

Los investigadores esperan encontrar algunos cuásares más del mismo período de tiempo, incluyendo posibles nuevos récords, dijo Jinyi Yang, el segundo autor del informe, quien es Peter A. Strittmatter Fellow en el Steward Observatory. Yang y Fan estaban observando en el telescopio Magellan Baade de 6,5 metros del Observatorio Las Campanas en Chile la noche en que se descubrió J0313-1806.

"Nuestro estudio de cuásares cubre un campo muy amplio, permitiéndonos escanear casi la mitad del cielo, ", Dijo Yang." Hemos seleccionado más candidatos a los que daremos seguimiento con observaciones más detalladas ".

Los investigadores esperan descubrir más sobre los secretos del cuásar con observaciones futuras, especialmente con el telescopio espacial James Webb de la NASA, actualmente programado para su lanzamiento en 2021.

"Con telescopios terrestres, solo podemos ver una fuente puntual, Wang dijo. "Las observaciones futuras podrían hacer posible resolver el cuásar con más detalle, mostrar la estructura de su salida y qué tan lejos se extiende el viento en su galaxia, y eso nos daría una idea mucho mejor de su etapa evolutiva ".