A la caza de agujeros negros supermasivos en el universo primitivo

Se sabe que los agujeros negros supermasivos (SMBH), agujeros negros con masas superiores a un millón de veces la del Sol, prevalecen en el universo actual. Sin embargo, aún no está claro cuándo, dónde y cómo se formaron durante los 13.800 millones de años de historia cósmica.

Las observaciones realizadas en las últimas décadas han revelado que cada galaxia alberga un SMBH en el centro y que la masa del agujero negro es casi siempre una milésima parte de la masa de la galaxia anfitriona. Esta estrecha relación implica que las galaxias y las SMBH han coevolucionado juntas. Por lo tanto, revelar el origen de las SMBH es crucial no sólo para comprender las SMBH en sí, sino también para dilucidar los procesos de formación de las galaxias, los principales constituyentes del universo visible.

Una clave para abordar esta cuestión reside en el universo primitivo, donde el tiempo transcurrido desde el Big Bang (es decir, el comienzo del universo) fue de menos de mil millones de años. Gracias a la velocidad finita de la luz, podemos mirar hacia el pasado observando el universo distante. ¿Existían ya los SMBH cuando el universo tenía sólo mil millones de años o menos? ¿Es posible que un agujero negro adquiera una masa tan grande (superando el millón de masas solares y en ocasiones alcanzando miles de millones de masas solares) en tan poco tiempo? Si es así, ¿cuáles son los mecanismos y condiciones físicos subyacentes?

Para acercarnos al origen de los SMBH, necesitamos observarlos y comparar sus propiedades con las predicciones de los modelos teóricos. Y para ello, primero debemos encontrar dónde están en el cielo.

Utilizamos el Telescopio Subaru en la cima de Maunakea, Hawaii, para el presente estudio. Una de las mayores ventajas de Subaru es su capacidad de observación de campo amplio, que es particularmente adecuada para nuestro propósito. Dado que los SMBH no emiten luz, buscamos una clase especial llamada «cuásares»: SMBH con bordes brillantes donde el material que cae libera energía gravitacional.

Observamos una amplia área de cielo equivalente a 5.000 veces la luna llena y descubrimos con éxito 162 quásares que residen en el universo primitivo. En particular, 22 de ellos vivieron en una época en la que el universo tenía menos de 800 millones de años, el período más antiguo en el que se han reconocido los quásares hasta la fecha.

La gran cantidad de cuásares que descubrimos nos ha permitido determinar la medida más fundamental llamada «función de luminosidad», que describe la densidad espacial de los cuásares en función de la energía de radiación. Descubrimos que los quásares se estaban formando muy rápidamente en el universo primitivo, mientras que la forma general de la función de luminosidad (excepto la amplitud) se mantuvo sin cambios con el tiempo.

Este comportamiento característico de la función de luminosidad proporciona fuertes restricciones a los modelos teóricos, que en última instancia podrían reproducir todos los observables y describir el origen de los SMBH. Nuestro estudio se publica en The Astrophysical Journal Letters.

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

Al integrar la función de luminosidad anterior, encontramos que los quásares emiten 1028 fotones por segundo en una unidad de volumen de 1 año luz en un lado del universo primitivo. Esto es 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 pequeña contribución a la reionización cósmica. Se necesitan con urgencia otras fuentes de energía que, según otras observaciones recientes, pueden ser la radiación integrada de estrellas masivas calientes en las galaxias en formación.

Con información de The Astrophysical Journal Letters