Los cuásares son los centros ardientes de galaxias activas, que albergan un insaciable agujero negro supermasivo en su núcleo. La mayoría de las galaxias albergan un agujero negro central que ocasionalmente puede alimentarse de gas y desechos estelares, generando un breve estallido de luz en forma de un anillo brillante a medida que el material se arremolina hacia el agujero negro.

Los cuásares, por el contrario, pueden consumir enormes cantidades de materia durante períodos de tiempo mucho más largos, generando un anillo extremadamente brillante y duradero; de hecho, tan brillante que los cuásares se encuentran entre los objetos más luminosos del universo.

Debido a que son tan brillantes, los quásares eclipsan al resto de la galaxia en la que residen. Pero el equipo del MIT pudo observar por primera vez la luz mucho más débil de las estrellas en las galaxias anfitrionas de tres antiguos quásares.

Basándose en esta elusiva luz estelar, los investigadores estimaron la masa de cada galaxia anfitriona, en comparación con la masa de su agujero negro supermasivo central. Descubrieron que, en el caso de estos quásares, los agujeros negros centrales eran mucho más masivos en relación con sus galaxias anfitrionas, en comparación con sus homólogos modernos.

Los hallazgos, publicados hoy en The Astrophysical Journal , puede arrojar luz sobre cómo los primeros agujeros negros supermasivos se volvieron tan masivos a pesar de tener un período de tiempo cósmico relativamente corto para crecer. En particular, esos primeros agujeros negros monstruosos pueden haber brotado de "semillas" más masivas que los agujeros negros más modernos.

"Después de que el universo nació, hubo semillas de agujeros negros que luego consumieron material y crecieron en muy poco tiempo", dice el autor del estudio Minghao Yue, postdoctorado en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. "Una de las grandes preguntas es comprender cómo esos monstruosos agujeros negros pudieron crecer tanto y tan rápido".

"Estos agujeros negros son miles de millones de veces más masivos que el Sol, en un momento en que el universo aún está en su infancia", dice la autora del estudio Anna-Christina Eilers, profesora asistente de física en el MIT. "Nuestros resultados implican que en el universo primitivo, los agujeros negros supermasivos podrían haber ganado masa antes que sus galaxias anfitrionas, y las semillas iniciales de los agujeros negros podrían haber sido más masivas que las actuales".

Los coautores de Eilers y Yue incluyen al director del MIT Kavli, Robert Simcoe, al becario y postdoctorado del MIT Hubble, Rohan Naidu, y a colaboradores en Suiza, Austria, Japón y la Universidad Estatal de Carolina del Norte.

Núcleos deslumbrantes

La extrema luminosidad de un quásar ha sido obvia desde que los astrónomos descubrieron los objetos por primera vez en la década de 1960. Entonces asumieron que la luz del cuásar provenía de una única "fuente puntual" similar a una estrella. Los científicos denominaron a los objetos "cuásares", como un acrónimo de un objeto "cuasi estelar".

Desde esas primeras observaciones, los científicos se han dado cuenta de que los quásares en realidad no son de origen estelar, sino que emanan de la acumulación de agujeros negros supermasivos intensamente poderosos y persistentes ubicados en el centro de galaxias que también albergan estrellas, que son mucho más débiles en comparación con sus deslumbrantes estrellas. núcleos.

Ha sido un gran desafío separar la luz del agujero negro central de un cuásar de la luz de las estrellas de la galaxia anfitriona. La tarea es un poco como discernir un campo de luciérnagas alrededor de un enorme reflector central. Pero en los últimos años, los astrónomos han tenido muchas más posibilidades de hacerlo con el lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA, que ha podido mirar más atrás en el tiempo y con una sensibilidad y resolución mucho mayores que cualquier otro telescopio existente. observatorio.

En su nuevo estudio, Yue y Eilers dedicaron tiempo en JWST para observar seis cuásares antiguos conocidos, de forma intermitente desde el otoño de 2022 hasta la primavera siguiente. En total, el equipo recopiló más de 120 horas de observaciones de los seis objetos distantes.

"El cuásar eclipsa a su galaxia anfitriona en órdenes de magnitud. Y las imágenes anteriores no eran lo suficientemente nítidas para distinguir cómo se ve la galaxia anfitriona con todas sus estrellas", dice Yue. "Ahora, por primera vez, podemos revelar la luz de estas estrellas modelando con mucho cuidado las imágenes mucho más nítidas de esos cuásares obtenidas por JWST".

Una balanza ligera

El equipo hizo un balance de los datos de imágenes recopilados por JWST de cada uno de los seis cuásares distantes, que estimaron que tenían unos 13 mil millones de años. Esos datos incluían mediciones de la luz de cada quásar en diferentes longitudes de onda. Los investigadores introdujeron esos datos en un modelo de cuánta luz probablemente proviene de una "fuente puntual" compacta, como el disco de acreción de un agujero negro central, frente a una fuente más difusa, como la luz de las estrellas dispersas circundantes de la galaxia anfitriona. .

A través de este modelado, el equipo separó la luz de cada quásar en dos componentes:la luz del disco luminoso del agujero negro central y la luz de las estrellas más difusas de la galaxia anfitriona. La cantidad de luz de ambas fuentes es un reflejo de su masa total. Los investigadores estiman que para estos quásares, la relación entre la masa del agujero negro central y la masa de la galaxia anfitriona era de aproximadamente 1:10. Se dieron cuenta de que esto contrastaba marcadamente con el equilibrio de masa actual de 1:1.000, en el que los agujeros negros formados más recientemente son mucho menos masivos en comparación con sus galaxias anfitrionas.

"Esto nos dice algo sobre lo que crece primero:¿es el agujero negro el que crece primero y luego la galaxia lo alcanza? ¿O son la galaxia y sus estrellas las que crecen primero, y dominan y regulan el crecimiento del agujero negro?" Eilers explica. "Vemos que los agujeros negros en el universo primitivo parecen estar creciendo más rápido que sus galaxias anfitrionas. Esa es una evidencia tentativa de que las semillas iniciales de los agujeros negros podrían haber sido más masivas en aquel entonces".

"Debe haber habido algún mecanismo para hacer que un agujero negro ganara masa antes que su galaxia anfitriona en esos primeros mil millones de años", añade Yue. "Es la primera evidencia que vemos de esto, lo cual es emocionante".