Cuando el universo era joven un agujero negro supermasivo, hinchado hasta el punto de estallar con un poder estupendo, lanzó un chorro de energía infundida por partículas que atravesó la inmensidad del espacio casi a la velocidad de la luz.

Miles de millones de años después, un trío de científicos de la Universidad de Clemson, dirigido por el astrofísico de la Facultad de Ciencias Marco Ajello, ha identificado este agujero negro y otros cuatro similares que tienen entre 1.400 y 1.900 millones de años. Estos objetos emiten copiosos rayos gamma, luz de la más alta energía, que son miles de millones de veces más energéticas que la luz visible para el ojo humano.

Los primeros blazares de rayos gamma conocidos anteriormente, un tipo de galaxia cuya intensa emisión es impulsada por chorros relativistas extremadamente poderosos lanzados por monstruosos agujeros negros, tenían más de 2 mil millones de años. En la actualidad, se estima que el universo tiene aproximadamente 14 mil millones de años.

"El descubrimiento de estos agujeros negros supermasivos, que lanzan chorros que emiten más energía en un segundo de la que nuestro sol producirá en toda su vida, fue la culminación de un proyecto de investigación de un año, "dijo Ajello, quien ha pasado gran parte de su carrera estudiando la evolución de galaxias distantes. "Nuestro próximo paso es aumentar nuestra comprensión de los mecanismos involucrados en la formación, desarrollo y actividades de estos asombrosos objetos, que son los aceleradores más poderosos del universo. Ni siquiera podemos acercarnos a replicar producciones tan masivas de energía en nuestros laboratorios. Las complejidades que estamos tratando de desentrañar parecen casi tan misteriosas como los propios agujeros negros ".

Ajello llevó a cabo su investigación junto con el postdoctorado de Clemson, Vaidehi Paliya, y la candidata al doctorado Lea Marcotulli. El trío trabajó en estrecha colaboración con la colaboración de Fermi-Large Area Telescope, que es un equipo internacional de científicos que incluye a Roopesh Ojha, un astrónomo en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland; y Dario Gasparrini de la Agencia Espacial Italiana. Su artículo científico titulado "Gamma-Ray Blazars within the First 2 Billion Years" fue publicado el lunes en una revista llamada Cartas de revistas astrofísicas . (Ackermann, METRO., et al. 2017, ApJL , 837, L5.)

Los avances del equipo de Clemson fueron posibles gracias al software recientemente mejorado en el telescopio de rayos gamma Fermi de la NASA. El software renovado aumentó significativamente la sensibilidad del telescopio en órbita a un nivel que hizo posibles estos últimos descubrimientos.

"La gente lo llama la remodelación más barata de la historia, "Ajello dijo." Normalmente, para el telescopio espacial Hubble, La NASA tuvo que enviar a alguien al espacio para realizar físicamente este tipo de mejoras. Pero en este caso, pudieron hacerlo de forma remota desde un lugar en la Tierra. Y de igual importancia, las mejoras fueron retroactivas, lo que significó que los datos de los seis años anteriores también se reprocesaron por completo. Esto nos ayudó a proporcionarnos la información que necesitábamos para completar el primer paso de nuestra investigación y también para avanzar en el proceso de aprendizaje ".

Usando datos de Fermi, Ajello y Paliya comenzaron con un catálogo de 1,4 millones de cuásares, que son galaxias que albergan en sus centros agujeros negros supermasivos activos. En el transcurso de un año, redujeron su búsqueda a 1, 100 objetos. De estos, finalmente se determinó que cinco eran blazares de rayos gamma recién descubiertos que eran los más lejanos y los más jóvenes jamás identificados.

"Después de usar nuestros filtros y otros dispositivos, nos quedamos con aproximadamente 1, 100 fuentes. Y luego hicimos los diagnósticos para todos estos y pudimos reducirlos a 25 a 30 fuentes, "Dijo Paliya." Pero aún teníamos que confirmar que lo que habíamos detectado era científicamente auténtico. Así que realizamos una serie de otras simulaciones y pudimos derivar propiedades como la masa del agujero negro y la potencia del chorro. Por último, confirmamos que se garantizaba que estas cinco fuentes eran blazares de rayos gamma, y el más lejano tiene aproximadamente 1.400 millones de años desde el principio de los tiempos ".

Marcotulli, quien se unió al grupo de Ajello como estudiante de doctorado en 2016, ha estado estudiando los mecanismos de los blazares mediante el uso de imágenes y datos entregados desde otro telescopio en órbita de la NASA, la matriz de telescopios espectroscópicos nucleares (NuSTAR). En primer lugar, El papel de Marcotulli fue comprender el mecanismo de emisión de los blazares de rayos gamma más cerca de nosotros. Ahora dirige su atención hacia los objetos más distantes en una búsqueda por comprender qué los hace tan poderosos.

"Estamos tratando de comprender el espectro completo de la distribución de energía de estos objetos mediante el uso de modelos físicos, ", Dijo Marcotulli." Actualmente podemos modelar lo que está sucediendo con mucha más precisión de lo que se había diseñado anteriormente, y eventualmente podremos comprender mejor qué procesos están ocurriendo en los chorros y qué partículas irradian toda la energía que vemos. ¿Son electrones? ¿O protones? ¿Cómo interactúan con los fotones circundantes? Todos estos parámetros no se comprenden completamente en este momento. Pero cada día profundizamos nuestro conocimiento ".

Todas las galaxias tienen agujeros negros en sus centros; algunas se alimentan activamente de la materia que las rodea. otros permanecen relativamente inactivos. Nuestra propia galaxia tiene en su centro un agujero negro de gran tamaño que actualmente está inactivo. Ajello dijo que solo uno de cada 10 agujeros negros en el universo actual está activo. Pero cuando el universo era mucho más joven, estaba más cerca de una proporción de 50-50.

Los agujeros negros supermasivos en el centro de las cinco galaxias blazar recién descubiertas se encuentran entre los tipos de agujeros negros más grandes jamás observados. del orden de cientos de miles a miles de millones de veces la masa de nuestro propio sol. Y los discos de acreción que los acompañan, remolinos giratorios de materia que orbitan los agujeros negros, emiten más de dos billones de veces la producción de energía de nuestro sol.

Uno de los elementos más sorprendentes de la investigación de Ajello es la rapidez con la que, según medidas cósmicas, estos agujeros negros de gran tamaño deben haber crecido en solo 1.400 millones de años. En términos de nuestro conocimiento actual de cómo crecen los agujeros negros, 1.400 millones de años es apenas tiempo suficiente para que un agujero negro alcance la masa de los descubiertos por el equipo de Ajello.

"¿Cómo se formaron tan rápidamente estos agujeros negros incomprensiblemente enormes y cargados de energía?" Dijo Ajello. "¿Es porque un agujero negro comió mucho todo el tiempo durante mucho tiempo? ¿O tal vez porque chocó con otros agujeros negros y se fusionó en uno solo? Para ser honesto, no tenemos observaciones que apoyen ninguno de los argumentos. Hay mecanismos en funcionamiento que aún tenemos que desentrañar. Rompecabezas que aún tenemos que resolver. Cuando finalmente los resolvamos, aprenderemos cosas asombrosas sobre cómo nació el universo, cómo se convirtió en lo que se ha convertido, y lo que podría deparar el futuro distante a medida que el universo continúa avanzando hacia la vejez ".