Revelando el origen de los agujeros negros supermasivos

Los agujeros negros de masas excepcionalmente grandes (más de un millón de veces la masa del Sol, conocidos como agujeros negros supermasivos (SMBH), se encuentran comúnmente en el universo actual. Sin embargo, sus orígenes, así como los detalles de cuándo, dónde y cómo aparecieron a lo largo de 13.800 millones de años de evolución cósmica, siguen siendo un misterio.

Las investigaciones realizadas durante las últimas décadas indican que en el corazón de cada galaxia residen galaxias pequeñas y supermasivas, siempre con una masa de una milésima parte de la galaxia anfitriona.

Esta estrecha relación indica que las galaxias y las galaxias supermasivas evolucionaron juntas. Por tanto, revelar el origen de las estrellas supermasivas es fundamental no sólo para comprender los propios planetas supermasivos, sino también para dilucidar los procesos de formación de las galaxias, componentes clave del universo observable.

La clave para abordar este problema está en el inicio del universo, ya que ha transcurrido el tiempo desde que apareció el universo. la gran explosión (es decir, el comienzo del universo) tenía menos de mil millones de años. Gracias a la velocidad finita de la luz, podemos mirar hacia el pasado observando el universo distante. ¿Existieron realmente objetos de tamaño pequeño y mediano cuando el universo tenía sólo mil millones de años o menos?

Un ejemplo de una imagen del cielo nocturno que tomamos con el Telescopio Subaru. El pequeño punto rojo en el centro de la imagen ampliada representa la luz de un quásar distante, que existía cuando el universo tenía 800 millones de años (13 mil millones de años luz). Crédito: Observatorio Astronómico Nacional de Japón

Es posible que Agujero negro ¿Ganar una masa tan grande (más de un millón de masas solares y, a veces, miles de millones de masas solares) en tan poco tiempo? Si es así, ¿cuáles son los mecanismos y condiciones físicos subyacentes? Para acercarse al origen de los objetos pequeños y medianos, es necesario observarlos y comparar sus propiedades con las predicciones de los modelos teóricos. Para ello, primero hay que determinar dónde se encuentran en el cielo.

El equipo de investigación utilizó el telescopio Subaru ubicado en la cima del Monte Mauna Kea en Hawaii para realizar este estudio. Una de las mayores ventajas de Subaru es su amplia capacidad de vigilancia, y es particularmente adecuado para este propósito.

Debido a que los objetos ultrafinos no emiten luz, el equipo buscó una clase especial llamada «cuásares»: objetos pequeños y ultrafinos con puntas brillantes donde el material que cae libera energía gravitacional. Observaron una extensión de cielo 5.000 veces mayor que la luna llena y detectaron con éxito 162 quásares que residían en el universo primitivo. En particular, 22 de estos quásares existían cuando el universo tenía menos de 800 millones de años, el período más antiguo para el que se han identificado quásares hasta ahora.

La gran cantidad de cuásares detectados les ha permitido determinar una métrica básica llamada «función de luminosidad», que describe la densidad espacial de los cuásares en función de la energía radiativa. Descubrieron que los quásares se estaban formando muy rápidamente en el universo primitivo, mientras que la forma general de la función de luminosidad (excluyendo la amplitud) se mantuvo sin cambios con el tiempo.

La función de luminosidad describe la densidad del espacio (Φ en el eje vertical) en función de la energía radiante (M1450 en el eje horizontal). Trazamos funciones de luminosidad para los quásares observados cuando el universo tenía 0,8 (puntos rojos), 0,9 (diamantes verdes), 1,2 (cuadrados azules) y 1,5 (triángulos negros) mil millones de años. Las curvas representan las formas funcionales más apropiadas. La densidad espacial de los quásares ha aumentado considerablemente con el tiempo, mientras que la forma de la función de luminosidad se ha mantenido prácticamente sin cambios. Crédito: The Astrophysical Journal Letters, 949, L42, 2023

Este comportamiento característico de la función de luminosidad impone fuertes limitaciones a los modelos teóricos, que eventualmente podrían reproducir todos los elementos observables y describir el origen de los agujeros negros supermasivos.

Por otro lado, se sabía que el universo había experimentado una transición de fase importante llamada «reionización cósmica» en su etapa inicial. Observaciones anteriores indican que todo el espacio intergaláctico quedó ionizado en este evento. La fuente de la energía de ionización aún está en discusión, y la radiación de los quásares se considera un candidato prometedor.

Al integrar la función de luminosidad mencionada anteriormente, encontramos que los cuásares emiten 10²⁸ fotones por segundo en unidad de tamaño 1 Año luz en un lado en el universo temprano. Esto representa menos del 1% de los fotones necesarios para mantener el estado ionizado del espacio intergaláctico en ese momento y, por lo tanto, indica que los quásares hicieron sólo una contribución menor a la reionización cósmica. Se necesitan desesperadamente otras fuentes de energía que, según otras observaciones recientes, pueden ser la radiación compacta de estrellas masivas calientes que forman galaxias.

Referencia: “La función de luminosidad de un cuásar en z = 7” por Yoshiki Matsuoka, Masafusa Onoe, Kazushi Iwasawa, Michael A. Strauss, Nobunari Kashikawa, Takuma Izumi, Toru Nagao, Masatoshi Imanishi, Masayuki Akiyama, John D. Silverman, Naoko Asami, James Bush, Hisanori Furusawa, Tomotsugu Goto, James E. Gan, Yuichi Harikan, Hiroyuki Ikeda, Kohei Inayoshi, Rikako Ishimoto, Toshihiro Kawaguchi, Satoshi Kikuta, Kotaro Kohno, Yutaka Komiyama, Shin Hsu Lee, Robert H. Lupton, Takeo Minezaki, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Atsushi J. Nishizawa, Masamune Oguri, Yoshiaki Ono, Taira Oji, Masami Ochi, Paul A. Precio, Hiroaki Sameshima, Naoshi Sugiyama, Philip J. Tate, Masahiro Takada, Ayumi Takahashi, Tadafumi Takata, Masayuki Tanaka, Yoshiki Toba, Xiangyu Wang y Takauji Yamashita, 6 de junio de 2023. el Cartas de revistas astrofísicas.
doi: 10.3847/2041-8213/acd69f

El estudio fue financiado por la Asociación Japonesa para la Promoción de la Ciencia, la Fundación Mitsubishi y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.