Un cuásar es el núcleo extremadamente brillante de una galaxia que alberga un agujero negro supermasivo activo en su centro. A medida que el agujero negro absorbe el gas y el polvo circundantes, emite una enorme cantidad de energía, lo que convierte a los cuásares en algunos de los objetos más brillantes del universo. Los cuásares se han observado tan temprano como unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang, y ha sido un misterio cómo estos objetos pudieron volverse tan brillantes y masivos en tan poco tiempo cósmico.
Los científicos han propuesto que los primeros cuásares surgieron de regiones excesivamente densas de materia primordial, lo que también habría producido muchas galaxias más pequeñas en el entorno de los cuásares. Pero en un nuevo estudio dirigido por el MIT, los astrónomos observaron algunos cuásares antiguos que parecen estar sorprendentemente solos en el universo primitivo.
Los astrónomos utilizaron el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA para mirar hacia atrás en el tiempo, más de 13 mil millones de años, para estudiar el entorno cósmico de cinco cuásares antiguos conocidos. Encontraron una sorprendente variedad en sus vecindarios, o «campos de cuásares». Mientras que algunos cuásares residen en campos muy poblados con más de 50 galaxias vecinas, como predicen todos los modelos, los cuásares restantes parecen flotar en vacíos, con solo unas pocas galaxias dispersas en sus proximidades.
Estos cuásares solitarios están desafiando la comprensión de los físicos sobre cómo estos objetos luminosos pudieron formarse tan temprano en el universo, sin una fuente significativa de materia circundante para alimentar su crecimiento de agujero negro.
«Contrariamente a la creencia anterior, encontramos que en promedio, estos cuásares no están necesariamente en esas regiones de mayor densidad del universo primitivo. Algunos de ellos parecen estar ubicados en medio de la nada», dice Anna-Christina Eilers, profesora adjunta de física en el MIT. «Es difícil explicar cómo estos cuásares pudieron crecer tanto si parecen no tener nada de qué alimentarse».
Existe la posibilidad de que estos cuásares no sean tan solitarios como parecen, sino que estén rodeados de galaxias que están envueltas en polvo y, por lo tanto, ocultas a la vista. Eilers y sus colegas esperan ajustar sus observaciones para tratar de ver a través de ese polvo cósmico, con el fin de comprender cómo los cuásares crecieron tanto y tan rápido en el universo primitivo.
Eilers y sus colegas informan sobre sus hallazgos en un artículo que aparece en The Astrophysical Journal. Los coautores del MIT incluyen a los posdoctorados Rohan Naidu y Minghao Yue; Robert Simcoe, profesor de Física Francis Friedman y director del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT; y colaboradores de instituciones como la Universidad de Leiden, la Universidad de California en Santa Bárbara, ETH Zurich y otras.
Vecinos galácticos
Los cinco cuásares recientemente observados se encuentran entre los cuásares más antiguos observados hasta la fecha. Se cree que estos objetos, que tienen más de 13.000 millones de años de antigüedad, se formaron entre 600 y 700 millones de años después del Big Bang. Los agujeros negros supermasivos que alimentan a los cuásares son mil millones de veces más masivos que el Sol y más de un billón de veces más brillantes. Debido a su extrema luminosidad, la luz de cada cuásar puede viajar a lo largo de la edad del universo, lo suficiente para llegar a los detectores altamente sensibles del JWST en la actualidad.
«Es simplemente fenomenal que ahora tengamos un telescopio que pueda capturar la luz de hace 13.000 millones de años con tanto detalle», afirma Eilers. «Por primera vez, el JWST nos permitió observar el entorno de estos cuásares, dónde crecieron y cómo era su vecindario».
El equipo analizó imágenes de los cinco antiguos cuásares tomadas por el JWST entre agosto de 2022 y junio de 2023. Las observaciones de cada cuásar comprendían múltiples imágenes en «mosaico», o vistas parciales del campo del cuásar, que el equipo unió de manera efectiva para producir una imagen completa del vecindario circundante de cada cuásar.
El telescopio también tomó medidas de luz en múltiples longitudes de onda en el campo de cada cuásar, que luego el equipo procesó para determinar si un objeto dado en el campo era luz de una galaxia vecina y qué tan lejos está una galaxia del cuásar central mucho más luminoso.
«Descubrimos que la única diferencia entre estos cinco cuásares es que sus entornos se ven muy diferentes», dice Eilers. «Por ejemplo, un cuásar tiene casi 50 galaxias a su alrededor, mientras que otro tiene solo dos. Y ambos cuásares tienen el mismo tamaño, volumen, brillo y tiempo del universo. Fue realmente sorprendente verlo».
Crecimiento acelerado
La disparidad en los campos de cuásares introduce un quiebre en la imagen estándar del crecimiento de los agujeros negros y la formación de galaxias. Según la mejor comprensión de los físicos sobre cómo surgieron los primeros objetos en el universo, una red cósmica de materia oscura debería haber marcado el rumbo. La materia oscura es una forma de materia aún desconocida que no tiene otras interacciones con su entorno que la gravedad.
Se cree que poco después del Big Bang, el universo primitivo formó filamentos de materia oscura que actuaron como una especie de camino gravitatorio, atrayendo gas y polvo a lo largo de sus zarcillos. En las regiones excesivamente densas de esta red, la materia se habría acumulado para formar objetos más masivos. Y los objetos primitivos más brillantes y masivos, como los cuásares, se habrían formado en las regiones de mayor densidad de la red, que también habrían producido muchas más galaxias más pequeñas.
«La red cósmica de materia oscura es una predicción sólida de nuestro modelo cosmológico del universo, y puede describirse en detalle mediante simulaciones numéricas», afirma el coautor Elia Pizzati, estudiante de posgrado en la Universidad de Leiden. «Al comparar nuestras observaciones con estas simulaciones, podemos determinar dónde se encuentran los cuásares en la red cósmica».
Los científicos estiman que los cuásares habrían tenido que crecer continuamente con tasas de acreción muy altas para alcanzar la masa y luminosidad extremas en los momentos en que los astrónomos los han observado, menos de mil millones de años después del Big Bang.
«La pregunta principal que estamos tratando de responder es cómo se forman estos agujeros negros de mil millones de masas solares en un momento en que el universo todavía es muy, muy joven. Todavía está en su infancia», dice Eilers.
Los hallazgos del equipo pueden plantear más preguntas que respuestas. Los cuásares «solitarios» parecen vivir en regiones relativamente vacías del espacio. Si los modelos cosmológicos de los físicos son correctos, estas regiones estériles significan que hay muy poca materia oscura, o material inicial para la formación de estrellas y galaxias. ¿Cómo, entonces, se formaron cuásares extremadamente brillantes y masivos?
«Nuestros resultados muestran que todavía falta una pieza importante del rompecabezas sobre cómo crecen estos agujeros negros supermasivos», dice Eilers. «Si no hay suficiente material para que algunos cuásares puedan crecer de forma continua, eso significa que debe haber alguna otra forma de que puedan crecer, que aún tenemos que descubrir».
Con información de The Astrophysical Journal
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