Descubren el cuásar más masivo del universo primitivo con un inmenso agujero negro

Astrónomos han descubierto el cuásar más masivo conocido en el universo primitivo, que contiene un monstruoso agujero negro con una masa equivalente a 1.500 millones de soles. Designado formalmente como J1007 + 2115, el cuásar recién descubierto es uno de los dos únicos conocidos del mismo período cosmológico. Los cuásares son los objetos más energéticos del universo, y desde su descubrimiento, los astrónomos han estado interesados en determinar cuándo aparecieron por primera vez en nuestra historia cósmica.

En honor a su descubrimiento a través de telescopios en Maunakea, una montaña venerada en la cultura hawaiana, el cuásar recibió el nombre hawaiano de Poniua'ena, que significa "fuente giratoria invisible de creación, rodeado de brillantez". Es el primer cuásar en recibir un nombre indígena, que fue creado por 30 maestros de escuela de inmersión hawaianos durante un taller dirigido por el grupo A Hua He Inoa, un programa de nombres hawaiano dirigido por el 'Centro de Astronomía Imiloa de Hawai'.

Según la teoría actual, los cuásares son impulsados por agujeros negros supermasivos. A medida que los agujeros negros engullen la materia circundante, como el polvo, el gas o incluso estrellas enteras, emiten enormes cantidades de energía, lo que da como resultado luminosidades conocidas que eclipsan a galaxias enteras. El agujero negro supermasivo que alimenta a Poniua'ena hace que este cuásar sea el objeto más distante y, por lo tanto, el más antiguo conocido en el universo que alberga un agujero negro que supera los mil millones de masas solares.

Según un nuevo estudio que documenta el descubrimiento del cuásar, la luz de Poniua'ena tardó 13.020 millones de años en llegar a la Tierra, comenzando su viaje solo 700 millones de años después del Big Bang. "Es el primer monstruo de este tipo que conocemos", dijo en un comunicado Jinyi Yang, investigador asociado en el Observatorio Steward de la Universidad de Arizona y autor principal del estudio, que se publicará en The Astrophysical Journal Letters.

"El tiempo fue demasiado corto para que creciera desde un pequeño agujero negro hasta el enorme tamaño que vemos". La cuestión de cómo podría materializarse un agujero negro tan masivo cuando el universo aún estaba en su infancia ha molestado a los astrónomos y cosmólogos durante mucho tiempo, dijo el coautor Xiaohui Fan, jefe asociado del Departamento de Astronomía de la Universidad de Arizona. "Este descubrimiento presenta el mayor desafío para la teoría de la formación y el crecimiento de agujeros negros en el universo temprano", dijo Fan.

La noción de que un agujero negro de las proporciones de Poniua'ena podría haber evolucionado a partir de un agujero negro mucho más pequeño formado por el colapso de una sola estrella en tan poco tiempo desde la era el Big Bang es casi imposible, según los modelos cosmológicos actuales.

En cambio, los autores del estudio sugieren que el cuásar habría tenido que comenzar como un agujero negro "semilla" que ya contiene la masa equivalente de 10.000 soles a los 100 millones de años después del Big Bang.

Una visión rara de un universo muy joven

Poniua'ena fue descubierto a través de una búsqueda sistemática de los cuásares más distantes. Comenzó con el equipo de investigación revisando grandes áreas como la encuesta de imágenes DECaLS, que utiliza la cámara de energía oscura en el telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros ubicado en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo en Chile, y las imágenes de UHS encuesta, que utiliza la cámara de campo ancho en el telescopio infrarrojo del Reino Unido, ubicado en Maunakea.

El equipo descubrió un posible cuásar en los datos y, en 2019, lo observó con telescopios, incluido el telescopio Gemini North y el Observatorio W. M. Keck, ambos en Maunakea. El telescopio de Magallanes en el Observatorio Las Campanas en Chile confirmó la existencia de Poniua'ena.

"Las observaciones con Géminis fueron críticas para obtener los espectros de infrarrojo cercano de alta calidad que nos proporcionaron la medición de la asombrosa masa del agujero negro", dijo el coautor Feige Wang, miembro del equipo del Hubble de la NASA en el Observatorio Steward. El descubrimiento de un cuásar desde los albores del cosmos proporciona a los investigadores una visión rara de una época en que el universo aún era joven y muy diferente de lo que vemos hoy, dijeron los investigadores.

La teoría actual sugiere que al comienzo del universo, después del Big Bang, los átomos estaban demasiado distantes entre sí para interactuar y formar estrellas y galaxias. El nacimiento de estrellas y galaxias como las conocemos ocurrió durante la Epoca de Reionización, unos 400 millones de años después del Big Bang. "Después del Big Bang, el universo estaba muy frío, porque todavía no había estrellas; no había luz", dijo Fan. "Las primeras estrellas y galaxias aparecieron entre 300 y 400 millones de años, y comenzaron a calentar el universo".

Bajo la influencia del calentamiento, las moléculas de hidrógeno fueron despojadas de electrones en un proceso conocido como ionización. Este proceso duró solo unos pocos cientos de millones de años, un abrir y cerrar de ojos en la vida del universo, y es objeto de una investigación en curso. El descubrimiento de cuásares como Poniua'ena, en lo profundo de la época de reionización, es un gran paso hacia la comprensión del proceso de reionización y la formación de los primeros agujeros negros supermasivos y galaxias masivas.