Por primera vez, la luz de las estrellas se ha detectado en galaxias que arden intensamente con la furia de alimentar agujeros negros en los primeros mil millones de años de existencia del Universo.
Es lógico que estos agujeros negros supermasivos activos, conocidos como cuásares, tengan galaxias a su alrededor. Pero extendidos a distancias tan grandes, la luz de las estrellas dentro de ellos ha sido previamente imposible de detectar, lo que deja a los astrónomos preguntándose cómo se forman y crecen objetos tan monstruosos en un espacio de tiempo tan corto.
Ahora, con datos combinados del Telescopio Subaru en Hawái y el Telescopio Espacial James Webb, un gran equipo internacional ha podido sondear dos galaxias cuásares en el Universo primitivo para aprender más sobre este momento misterioso en la historia de todo.
La investigación fue dirigida por los astrofísicos Xuheng Ding y John Silverman del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU) en Japón y Masafusa Onoue del Instituto Kavli de Astronomía y Astrofísica en China.
“Esta es la primera vez que vemos galaxias anfitrionas de una edad tan temprana del Universo. Solo es posible gracias a las imágenes profundas de JWST, que nos permiten modelar y sustraer la luz del cuásar para revelar la galaxia anfitriona”. explica el astrónomo Chien-Hsiu Lee del Observatorio WM Keck.
“Hemos visto cuásares de esta época anteriormente, pero eran tan brillantes que era imposible restar su luz para revelar la galaxia anfitriona”.
Los agujeros negros en sí mismos no emiten ninguna luz que podamos detectar actualmente. Son famosos por eso, de hecho.
Pero un agujero negro activo es un asunto ligeramente diferente. Bueno, no el agujero negro; eso sigue siendo lo más oscuro que se pone la oscuridad. Es lo que está sucediendo en el espacio a su alrededor. Un agujero negro activo es aquel que tiene suficiente material en su vecindad para alimentarse. Ese material gira alrededor del agujero negro, calentado a millones de grados por la fricción y la gravedad, por lo que se ilumina en todo el espectro electromagnético.
Hay tanto material girando en un cuásar que resplandece positivamente a lo largo de los eones del espacio-tiempo. Así es como podemos verlos brillar en el amanecer cósmico, el período que cubre los primeros mil millones de años después del Big Bang. Incluso allí, todavía son relativamente débiles; nunca verías un cuásar de Amanecer Cósmico a simple vista o con un telescopio casero, pero en los últimos años nuestros poderosos telescopios los han estado encontrando en cantidades cada vez mayores.
Esto ha planteado todo tipo de preguntas, como: ¿cómo conseguimos que los agujeros negros supermasivos sean tan grandes tan poco tiempo después del Big Bang? ¿Cómo son sus entornos galácticos? Todavía estamos un poco perdidos en la primera pregunta, pero finalmente estamos obteniendo respuestas en la segunda.
Las dos galaxias cuásar en cuestión se llaman HSC J2236+0032 y HSC J2255+0251, y las estamos observando aproximadamente 860 millones de años después del Big Bang. Se encontraron en una encuesta realizada con Subaru, y se llamó a JWST para estudiarlos con más detalle.
Los agujeros negros supermasivos en los centros de estas dos galaxias cuásares tienen 1.400 millones y 200 millones de veces la masa del Sol, respectivamente. Esto permite imponer restricciones a la cantidad de luz generada por la actividad del agujero negro, ya que hay un límite en la velocidad a la que puede alimentarse un agujero negro.
Los investigadores restaron esta luz de las observaciones del JWST, lo que les dejó la luz generada por las galaxias anfitrionas: la luz de sus estrellas, brillando.
Sin embargo, incluso más que esto, la luz de las galaxias permitió a los investigadores calcular las masas de las galaxias: 130 mil millones y 30 mil millones de masas solares, respectivamente.
Esto es importante porque nos dice algo que no sabíamos sobre las primeras galaxias del Universo. Las masas de agujeros negros supermasivos y sus galaxias en el Universo cercano están vinculadas. Si conoce la masa de un agujero negro, se puede predecir la masa de una galaxia a su alrededor, y viceversa, incluso para galaxias pequeñas.
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No estamos seguros de por qué sucede esto, si es alguna propiedad del agujero negro que limita el crecimiento de las galaxias más allá de cierto punto, o si las galaxias y los agujeros negros supermasivos crecen juntos, pero encontrar agujeros negros en el Universo primitivo podría darnos algunas pistas
J2236+0032 y J2255+0251 eran consistentes con esta relación de masas entre un agujero negro supermasivo y su galaxia. Esto sugiere que esta relación ya existía cuando nacieron los primeros agujeros negros supermasivos. Y les da a los astrónomos un nuevo punto de datos para trabajar mientras modelan la evolución temprana del Universo para comprender cómo se desarrollaron las cosas durante el Amanecer Cósmico.
Queda por investigar si es cierto o no para todas las galaxias del Universo primitivo. Dos galaxias no es una muestra tremendamente grande, por lo que los investigadores regresarán por más. Han reservado más tiempo de observación con JWST y esperan aprender más sobre cómo se formaron las primeras galaxias.
“Las observaciones JWST en curso nos darán una muestra significativamente más grande”, escriben en su papel“permitiéndonos restringir mejor los modelos para la evolución mutua del agujero negro y las poblaciones estelares en las galaxias”.
La investigación ha sido publicada en Naturaleza.