Agujeros negros supermasivos envueltos en polvo en el universo primario

Astrónomos han descubierto "agujeros negros supermasivos envueltos en polvo" en el universo primitivo, menos de mil millones de años tras el Big Bang, un tipo de objeto no detectado hasta ahora.

Un equipo internacional de investigación, que incluye científicos de la Universidad de Ehime y del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), identificó primero las galaxias candidatas con el Telescopio Subaru y posteriormente confirmó con el Telescopio Espacial James Webb (JWST) que albergan agujeros negros supermasivos que brillan como cuásares mientras consumen materia circundante, informó el NAOJ en un comunicado.

Esto marca el primer descubrimiento de este tipo de cuásares ocultos pero brillantes en el universo primitivo, lo que revela que los cuásares brillantes eran al menos el doble de comunes en esa época de lo que se creía. El estudio se publica en The Astrophysical Journal.

En el universo actual, 13.800 millones de años después del Big Bang, casi todas las galaxias albergan agujeros negros supermasivos en sus centros, con masas que superan millones de veces la del Sol. Estos agujeros negros permanecen inactivos la mayor parte del tiempo, pero al acrecentar la materia circundante, emiten una intensa radiación y se convierten en poderosos objetos llamados cuásares.

Se cree que la intensa radiación de un cuásar afecta significativamente el crecimiento y la evolución de su galaxia anfitriona al expulsar el gas de su interior. A medida que las galaxias trazan la evolución del universo visible, comprender los agujeros negros supermasivos es crucial para descifrar cómo el universo se formó hasta alcanzar la forma que vemos hoy.

A pesar del papel clave que desempeñan los agujeros negros supermasivos en el universo, sigue existiendo un misterio fundamental sobre cómo se formaron. Muchos agujeros negros supermasivos ya se han encontrado mil millones de años después del Big Bang, lo que implica que su formación debió ocurrir incluso antes. Por esta razón, las extensas búsquedas de cuásares se han centrado en la época temprana, a veces llamada el "Amanecer Cósmico", cuando el universo tenía menos de mil millones de años.

Una pista importante para comprender su mecanismo de formación es su densidad numérica, es decir, la cantidad de agujeros negros supermasivos por unidad de volumen de espacio. Si el número es alto, debieron formarse con relativa frecuencia y amplitud, posiblemente como remanentes de estrellas de primera generación. Por el contrario, una baja densidad numérica sugeriría formación en condiciones especiales, como el colapso directo de objetos masivos debido a la autogravedad, lo que daría lugar a agujeros negros iniciales.

Cuando un agujero negro supermasivo está activo como cuásar, brilla con tanta intensidad que puede detectarse incluso a grandes distancias, lo que corresponde a épocas anteriores del universo. A la luz del cuásar, observamos una "línea de emisión ancha", ensanchada por el efecto Doppler del gas que orbita a alta velocidad alrededor del agujero negro central. Detectar una línea de emisión tan ancha es una señal definitiva de un agujero negro supermasivo activo en una galaxia.

Trabajos anteriores de grupos de investigación liderados por investigadores estadounidenses y europeos utilizaron este método para descubrir cuásares en el Amanecer Cósmico. El equipo de investigación de este estudio se unió a la iniciativa, utilizando el Telescopio Subaru, y ha descubierto más de 200 cuásares.

Sin embargo, los estudios convencionales se enfrentan a limitaciones debido a la tecnología observacional: los cuásares se identificaron utilizando como marcador la luz ultravioleta que emiten, que aparece como luz visible desde la Tierra (véase la figura siguiente). El polvo absorbe fácilmente la luz ultravioleta, y muchas galaxias contienen una cantidad considerable de este.

Cuando un cuásar reside en una galaxia de este tipo, su luz ultravioleta se absorbe en gran medida y no nos alcanza. Esto ha llevado a sospechar que los cuásares descubiertos en estudios convencionales representan solo una fracción de la población real, y que muchos más permanecen ocultos por el polvo.

El equipo de investigación se centró en las galaxias más luminosas descubiertas en el sondeo de área amplia realizado con Hyper Suprime-Cam en el Telescopio Subaru (HSC-SSP). Estas galaxias se encontraron inicialmente durante la búsqueda de cuásares, pero dado que no se detectaron líneas de emisión amplias en ese momento, no se consideraron cuásares.

Aun así, los indicios de una potente fuente de energía habían llevado al equipo a sospechar durante más de 10 años la posible presencia de cuásares ocultos. El lanzamiento del JWST marcó un antes y un después. Por primera vez, el equipo pudo observar la luz visible de estas galaxias (que llega a la Tierra en forma de luz infrarroja), lo que les permitió ver a través del polvo que bloquearía la luz ultravioleta.

Las observaciones se realizaron con el espectrógrafo NIRSpec a bordo del JWST entre julio de 2023 y octubre de 2024, enfocando 11 de las galaxias más luminosas descubiertas por el Telescopio Subaru. Siete de ellos muestran claramente líneas de emisión anchas, un indicio de un cuásar. Esto confirma la presencia de cuásares envueltos en polvo. Estos son los primeros cuásares luminosos oscurecidos por polvo descubiertos en el Amanecer Cósmico.