Los astrónomos han descubierto una pieza importante del rompecabezas que explica cómo los agujeros negros supermasivos pudieron crecer tan rápidamente en el universo primitivo: un tipo especial de núcleo galáctico activo tan distante que su luz ha tardado más de 12.900 millones de años en llegar hasta nosotros. Este llamado blazar sirve como marcador estadístico: su existencia implica la presencia de una población grande pero oculta de objetos similares, todos los cuales deberían emitir potentes chorros de partículas.
Aquí es donde el descubrimiento cobra importancia para la evolución cósmica: se cree que los agujeros negros con chorros pueden crecer considerablemente más rápido que sin chorros. La investigación aparece en un artículo publicado en Nature Astronomy y otro en The Astrophysical Journal Letters.
Los núcleos galácticos activos (AGN) son centros extremadamente brillantes de galaxias. Los motores que impulsan su enorme producción de energía son agujeros negros supermasivos. La materia que cae sobre estos agujeros negros (acreción) es el mecanismo más eficiente conocido por la física cuando se trata de liberar enormes cantidades de energía. Esa eficiencia sin igual es la razón por la que los AGN pueden producir más luz que todas las estrellas de cientos, miles (o incluso más) de galaxias juntas y en un volumen de espacio más pequeño que nuestro propio sistema solar.
Se cree que al menos el 10% de todos los AGN emiten haces de partículas de alta energía concentrados, conocidos como chorros. Estos chorros salen disparados desde la proximidad directa del agujero negro en dos direcciones opuestas, sostenidos y guiados por campos magnéticos en el «disco de acreción» de material: el disco formado por el gas que gira alrededor del agujero negro y cae en él. Para que podamos ver un AGN como un blazar, debe suceder algo muy improbable: la Tierra, nuestra base de observaciones, debe estar en la ubicación exacta para que el chorro del AGN apunte directamente hacia nosotros.
El resultado es el análogo astronómico de alguien que ilumina directamente tus ojos con el haz de una linterna muy brillante: un objeto particularmente brillante en el cielo. Como es característico de un blazar, también vemos cambios rápidos en el brillo en escalas de tiempo de días, horas o incluso menos que eso, una consecuencia de cambios aleatorios en el disco de acreción giratorio en la base del chorro y de inestabilidades en la interacción del chorro entre los campos magnéticos y las partículas cargadas.
Hallazgo de núcleos galácticos activos en el universo primitivo
El nuevo descubrimiento fue el resultado de una búsqueda sistemática de núcleos galácticos activos en el universo primitivo realizada por Eduardo Bañados, un líder de grupo en el Instituto Max Planck de Astronomía que se especializa en los primeros mil millones de años de historia cósmica, y un equipo internacional de astrónomos.
Dado que la luz tarda en llegar hasta nosotros, vemos los objetos distantes como eran hace millones o incluso miles de millones de años. Para los objetos más distantes, el llamado corrimiento al rojo cosmológico, debido a la expansión cósmica, cambia su luz a longitudes de onda mucho más largas que las longitudes de onda en las que se emitió la luz. Bañados y su equipo explotaron este hecho, buscando sistemáticamente objetos que estuvieran tan desplazados hacia el rojo que ni siquiera aparecían en la luz visible habitual (del Dark Energy Legacy Survey, en este caso), pero que eran fuentes brillantes en un sondeo de radio (el sondeo VLASS de 3 GHz).
Entre 20 candidatos que cumplían ambos criterios, solo uno, designado J0410–0139, cumplía el criterio adicional de mostrar fluctuaciones significativas de brillo en el régimen de radio, lo que plantea la posibilidad de que se tratara de un blázar.
Los investigadores luego excavaron más profundamente, empleando una batería inusualmente grande de telescopios, incluyendo observaciones en el infrarrojo cercano con el New Technology Telescope (NTT) de ESO, un espectro con el Very Large Telescope (VLT) de ESO, espectros adicionales en el infrarrojo cercano con el LBT, uno de los telescopios Keck y el telescopio Magallanes, imágenes de rayos X de los telescopios espaciales XMM-Newton de la ESA y Chandra de la NASA, observaciones de ondas milimétricas con los conjuntos ALMA y NOEMA, y observaciones de radio más detalladas con los telescopios VLA del Observatorio Nacional de Radioastronomía de Estados Unidos para confirmar el estado del objeto como un AGN, y específicamente un blazar.
Las observaciones también arrojaron la distancia del AGN (a través del corrimiento al rojo) e incluso encontraron rastros de la galaxia anfitriona en la que está incrustado el AGN. La luz de ese núcleo galáctico activo ha tardado 12.900 millones de años en llegar hasta nosotros (z=6,9964), transportando información sobre el universo tal como era hace 12.900 millones de años.
‘Donde hay uno, hay cien más’
Según Bañados, «el hecho de que J0410–0139 sea un blazar, un chorro que por casualidad apunta directamente hacia la Tierra, tiene implicaciones estadísticas inmediatas. Como analogía de la vida real, imagine que lee acerca de alguien que ha ganado 100 millones de dólares en una lotería. Dado lo poco común que es un premio de ese tipo, puede deducir inmediatamente que debe haber habido muchas más personas que participaron en esa lotería pero que no han ganado una cantidad tan exorbitante.
«De manera similar, encontrar un AGN con un chorro apuntando directamente hacia nosotros implica que en ese momento, debe haber habido muchos AGN en ese período de la historia cósmica con chorros que no apuntaban hacia nosotros».
En pocas palabras, en palabras de Silvia Belladitta, investigadora postdoctoral en MPIA y coautora de la presente publicación, «donde hay uno, hay cien más».
La luz del anterior poseedor del récord del blazar más distante ha tardado aproximadamente 100 millones de dólares en llegar a la Tierra. 100 millones de años menos para llegar hasta nosotros (z=6,1). Los 100 millones de años adicionales pueden parecer poco tiempo teniendo en cuenta que estamos mirando hacia atrás más de 12.000 millones de años, pero suponen una diferencia crucial. Estamos en una época en la que el universo está cambiando rápidamente. En esos 100 millones de años, un agujero negro supermasivo puede aumentar su masa en un orden de magnitud.
Según los modelos actuales, el número de AGN debería haberse multiplicado por cinco o diez durante esos 100 millones de años. Descubrir que había un blazar así hace 12.800 millones de años no sería inesperado. Descubrir que había un blazar así hace 12.900 millones de años, como en este caso, es un asunto completamente diferente.
Ayudando a que los agujeros negros crezcan desde hace 12.900 millones de años
La presencia de una población completa de AGN con chorros en ese momento inicial en particular tiene implicaciones significativas para la historia cósmica y el crecimiento de los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias en general. Los agujeros negros cuyos AGN tienen chorros pueden potencialmente ganar masa más rápido que los agujeros negros sin chorros.
Al contrario de la creencia popular, es difícil que el gas caiga en un agujero negro. Lo natural para el gas es orbitar el agujero negro, de manera similar a la forma en que un planeta orbita alrededor del Sol, con mayor velocidad a medida que el gas se acerca al agujero negro («conservación del momento angular»). Para caer, el gas necesita reducir su velocidad y perder energía. Los campos magnéticos asociados con el chorro de partículas, que interactúan con el disco giratorio de gas, pueden proporcionar ese «mecanismo de frenado» y ayudar al gas a caer.
Esto significa que es probable que las consecuencias del nuevo descubrimiento se conviertan en un elemento básico de cualquier modelo futuro de crecimiento de agujeros negros en el universo temprano: implican la existencia de una gran cantidad de núcleos galácticos activos hace 12.900 millones de años que tenían chorros y, por lo tanto, tenían los campos magnéticos asociados que pueden ayudar a los agujeros negros a crecer a una velocidad considerable.
Con información de Nature
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