Los cuásares se encuentran entre los objetos más brillantes y poderosos del universo. Están impulsados por agujeros negros supermasivos que devoran el material circundante en el centro de las galaxias, produciendo tanta energía que pueden verse a miles de millones de años luz de diámetro.
Ahora, un equipo internacional de investigadores ha identificado 31 de los quásares más antiguos jamás descubiertos, incluidos dos de los ejemplos más antiguos conocidos. Estos extraordinarios objetos ya brillaban con alrededor de un billón de soles de luz cuando el universo tenía sólo 670 millones de años. Descubrimientos, publicados Astronomía y AstrofísicaProporciona una visión sin precedentes de uno de los capítulos más antiguos de la historia cósmica.
“Estos objetos proporcionan las mejores pistas para comprender cómo se forman los agujeros negros supermasivos”, dijo el coautor Joseph Henavi, profesor de física con nombramientos conjuntos en UC Santa Barbara y la Universidad de Leiden. “Estos gigantes, que pesan miles de millones de veces la masa de nuestro Sol, de alguna manera ya estaban allí cuando el universo estaba en su infancia. Todavía no tenemos una buena idea de cómo se hicieron tan grandes, tan rápido”.
¿Por qué son tan difíciles de encontrar los quásares antiguos?
Durante décadas, los astrónomos han buscado los quásares más antiguos del universo porque almacenan información valiosa sobre cómo surgieron las primeras galaxias y los agujeros negros supermasivos.
Sin embargo, encontrarlos es un desafío excepcional. Los cuásares se formaron menos de 770 millones de años después del Big Bang y son extremadamente inusuales porque sólo un pequeño número de galaxias crecieron lo suficiente como para albergarlos. Su tenue luz se confunde fácilmente con estrellas mucho más cercanas a nuestra propia galaxia.
Otro obstáculo proviene de la expansión del universo. A medida que el espacio se expande durante miles de millones de años, la luz de estos quásares distantes pasa del ultravioleta al infrarrojo cercano. La atmósfera de la Tierra brilla naturalmente en estas longitudes de onda, lo que dificulta que los telescopios terrestres detecten objetos tan débiles.
Los astrónomos utilizan este efecto, conocido como corrimiento al rojo, para estimar tanto la distancia como la edad. Cuanto mayor es el corrimiento al rojo, más temprano y más lejos aparece un objeto en la historia cósmica. “Un corrimiento al rojo de 7 nos lleva a cuando el universo tenía sólo 750 millones de años, menos del 6% de su edad actual”, dijo Henavi.
“Estas dos cosas hacen que sea increíblemente difícil encontrar quásares a esta distancia”, dijo el autor principal Deming Yang, estudiante de doctorado del grupo de Henavir en la Universidad de Leiden. “Para cada uno de ellos hay miles de estrellas en nuestra Vía Láctea y galaxias cercanas que parecen casi idénticas en los estudios de imágenes. Y debido a que su luz se extiende tan lejos en el infrarrojo, necesitamos un estudio que sea lo suficientemente amplio para captar estos raros objetos y lo suficientemente profundo para detectar su tenue luz”.
Debido a estas limitaciones, la exploración desde la superficie de la Tierra es casi imposible. Las observaciones desde el espacio proporcionan vistas mucho más claras.
El Telescopio Espacial Euclides encontró 31 cuásares antiguos
La Agencia Espacial Europea lanzó el Telescopio Espacial Euclid en 2023 para explorar el universo durante este período crucial. Al operar sobre la atmósfera de la Tierra, Euclid evita el brillo infrarrojo que limita las observaciones terrestres mientras examina grandes franjas del cielo a profundidades extraordinarias.
Utilizando datos del Euclid Wide Survey, los investigadores han identificado una cifra sin precedentes de 31 nuevos cuásares del universo temprano. Una vez completado, el estudio mapeará más de un tercio de todo el cielo. Algunos de estos quásares recién descubiertos datan de una época en la que el universo tenía aproximadamente el 5% de su edad actual.
Hasta ahora, los astrónomos habían detectado en su mayoría sólo cuásares antiguos raros y brillantes, dejando muy pocos ejemplos para estudiar la población de cuásares tempranos en su conjunto.
“Euclid es un verdadero factor de cambio”, dijo Deming. “Anteriormente, sólo podíamos encontrar un puñado de quásares antiguos muy brillantes, pero Euclides nos permite buscar de manera mucho más eficiente en grandes áreas del cielo para capturar una luz mucho más débil. Es una herramienta única para la búsqueda de quásares”.
Una ventana a los primeros mil millones de años del universo
Recientemente, los investigadores examinaron con más detalle el segundo quásar más antiguo de la nueva colección. Descubrieron que estaba dentro de una galaxia polvorienta y rica en gas que estaba experimentando un violento estallido de formación estelar, proporcionando nuevas pistas sobre el entorno en el que crecieron los primeros agujeros negros supermasivos.
Estos quásares recién descubiertos provienen de un período crítico conocido como la Era de la Regeneración, cuando las primeras estrellas y galaxias ionizaron el gas neutro de hidrógeno que una vez llenó el universo primitivo. Esta era dio forma a la evolución del universo posterior.
De los 31 quásares recién descubiertos, 14 tienen corrimientos al rojo de 7 o más. Los dos más antiguos tienen corrimientos al rojo de 7,69 y 7,77, lo que los convierte en los quásares más antiguos jamás detectados. Situadas a sólo 13 mil millones de años luz de distancia, parecen haber existido durante los primeros 670 millones de años del universo. También superaron el récord anterior establecido por el grupo de investigación de Henavir en 2021.
“Cada paso en el tiempo lo hace más desconcertante: ¿Cómo creó el universo agujeros negros supermasivos tan rápidamente?” dijo Henavi. “Estamos encontrando agujeros negros con millones de veces la masa de nuestro Sol cuando el universo apenas comenzaba”.
Una mirada más profunda a la historia cósmica
Los astrónomos han avanzado constantemente en la historia cósmica mediante una combinación de mejores telescopios y técnicas de búsqueda más sofisticadas. Se tardó más de una década en descubrir aproximadamente los primeros 10 quásares con corrimientos al rojo de 7 o más. Euclides ya había encontrado más que eso en un año, más del doble de la población conocida de estos objetos tan antiguos.
El aprendizaje automático también se ha convertido en una parte esencial de la búsqueda. Según Henavi, los algoritmos avanzados ahora pueden examinar millones de fuentes astronómicas y distinguir los pocos cuásares genuinos de la abrumadora cantidad de estrellas y galaxias.
El equipo de Henavi pasó años desarrollando muchos de los algoritmos utilizados en estos descubrimientos. También dirigió el desarrollo de PypeIt, software que los astrónomos de la Universidad de California utilizan para procesar las observaciones recopiladas por el Telescopio Keck. Con acceso a observaciones de la Universidad de California, Keck confirmó dos tercios de los quásares recién descubiertos, incluidos los tres ejemplos más distantes.
Los investigadores ahora pretenden descubrir el primer cuásar conocido con un corrimiento al rojo de 8, lo que revelaría un objeto que existió durante los primeros 630 millones de años del universo.
James Webb y Alma estudiarán estos antiguos gigantes
Encontrar estos quásares es sólo el comienzo. El equipo ya ha conseguido tiempo de observación con el telescopio espacial James Webb para investigar muchos de ellos en detalle. Las observaciones futuras medirán la masa de sus agujeros negros, analizarán la química del gas circundante y utilizarán su luz para determinar cómo se desarrolló la reionización en todo el universo joven.
Mientras tanto, el Atacama Large Millimeter Array estudiará el polvo, el gas y la formación de estrellas dentro de las galaxias que albergan estos antiguos cuásares, proporcionando una imagen más clara de cómo evolucionaron las primeras galaxias masivas.
“La visión más amplia es unir todo esto en una línea de tiempo coherente”, dijo Henavi: “una crónica del cuásar de los primeros mil millones de años”.
Daming Yang, Antoine Basset y Jean-Charles Quilandre del Consorcio Euclid contribuyeron a este artículo.
