El telescopio espacial James Webb observa la danza de un antiguo agujero negro con galaxias en colisión
Utilizando el telescopio espacial James Webb, los astrónomos han observado la espectacular «danza» entre un agujero negro supermasivo y dos galaxias satélite. Estas observaciones pueden ayudar a los científicos a comprender mejor cómo crecieron las galaxias y los agujeros negros supermasivos en el universo primitivo.
Este agujero negro supermasivo se alimenta de la materia que lo rodea y proporciona un cuásar brillante tan distante que el Telescopio James Webb lo ve tal como era menos de mil millones de años después del Big Bang. El cuásar, llamado PJ308-21, está ubicado en un núcleo galáctico activo (AGN) en una galaxia en proceso de fusión con dos galaxias satélite masivas.
El equipo no sólo determinó que el agujero negro tiene una masa equivalente a dos mil millones de soles, sino que también descubrió que tanto los cuásares como las galaxias involucradas en esta fusión están altamente evolucionados, una sorpresa dado que existían cuando el planeta de 13,8 años. El viejo universo era sólo un niño.
La fusión de estas tres galaxias probablemente entregará cantidades masivas de gas y polvo al agujero negro supermasivo, facilitando su crecimiento y permitiéndole continuar alimentando a PJ308-21.
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“Nuestro estudio revela que ambos agujeros negros se encuentran en centros de alto corrimiento al rojo [early and distant] «Los cuásares y las galaxias que los albergan están experimentando un crecimiento muy eficiente y turbulento ya en los primeros mil millones de años de la historia del universo, ayudados por el rico entorno galáctico en el que se forman estas fuentes», dice el líder del equipo Roberto DeCarli, investigador del Instituto Nacional de Italia. Instituto de Astrofísica (INAF). Dijo en un comunicado.
Los datos fueron recopilados en septiembre de 2022 por el instrumento Espectrómetro de infrarrojo cercano (NIRSpec) de JWST como parte del Programa 1554, cuyo objetivo es monitorear la fusión entre la galaxia que alberga PJ308-21 y dos de sus galaxias lunares.
DeCarli añadió que el trabajo representó un verdadero “viaje emocional” para el equipo, que desarrolló soluciones innovadoras para superar las dificultades iniciales en la reducción de datos y producir imágenes con menos del 1% de incertidumbre por píxel.
Los cuásares nacen cuando cantidades masivas de gas y polvo rodean agujeros negros supermasivos de millones o miles de millones de veces la masa del Sol, que se encuentran en el núcleo de las galaxias. Este material forma una nube plana llamada disco de acreción que orbita alrededor del agujero negro y lo alimenta gradualmente.
Las enormes fuerzas gravitacionales del agujero negro generan poderosas fuerzas de marea en este disco de acreción, elevando la temperatura del gas y el polvo a 120.000 grados Fahrenheit (67.000 grados Celsius). Esto hace que la luz del disco de acreción se emita en todo el espectro electromagnético. Esta emisión suele ser más brillante que la luz combinada de cada estrella de la galaxia circundante, lo que convierte a los quásares como PJ308-21 en algunos de los objetos más brillantes del universo.
Si bien los agujeros negros no tienen propiedades que puedan usarse para determinar su evolución, sus discos de acreción (y por lo tanto los cuásares) sí las tienen. De hecho, la edad de las galaxias se puede «estimar» de la misma forma.
El universo primitivo estaba lleno de hidrógeno, el elemento más ligero y simple, y una pequeña cantidad de helio. Esto formó la base para las primeras estrellas y galaxias, pero durante la vida de estos cuerpos estelares se forjaron elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, que los astrónomos llaman «metales».
Cuando estas estrellas terminaron sus vidas en explosiones masivas de supernovas, estos metales se extendieron por sus galaxias y se convirtieron en los componentes básicos de la próxima generación de estrellas. Este proceso ha provocado que las estrellas, y a través de ellas las galaxias, se vuelvan progresivamente “ricas en metales”.
El equipo descubrió que, como la mayoría de los núcleos galácticos activos, el núcleo activo de PJ308-21 es rico en metales y que el gas y el polvo que lo rodea sufren un proceso de «fotoionización». Este es el proceso mediante el cual las partículas de luz, llamadas fotones, proporcionan la energía que los electrones necesitan para escapar de los átomos, creando iones cargados eléctricamente.
Una de las galaxias que se fusiona con la galaxia anfitriona PJ308-21 también es rica en metales y su materia también está parcialmente fotoionizada por la radiación electromagnética del cuásar.
La fotoionización también ocurre en la segunda galaxia lunar, pero en este caso es causada por un episodio de rápida formación estelar. Esta segunda galaxia también se diferencia de la primera galaxia y de la galaxia activa en que parece ser pobre en metales.
«Gracias a NIRSpec, podemos estudiar por primera vez el dominio óptico, que es rico en valiosos datos de diagnóstico sobre las propiedades del gas cerca del agujero negro en la galaxia que alberga el quásar y en las galaxias circundantes», dijo un miembro del equipo y astrofísico de el Instituto Nacional de Astrofísica Federica Loiacono. «Podemos ver, por ejemplo, la emisión de átomos de hidrógeno y compararla con la emisión de elementos químicos producidos por las estrellas para determinar qué tan rico en metales es el gas».
Aunque la luz de este cuásar que se remonta al comienzo del universo atraviesa una amplia gama del espectro electromagnético, incluida la luz óptica y los rayos X, la única forma de observarla es en el infrarrojo.
Esto se debe a que la luz, que viajó más de 12 mil millones de años para llegar al Telescopio James Webb, tuvo sus longitudes de onda «estiradas» dramáticamente. Esto «desplaza» la luz hacia el «extremo rojo» del espectro electromagnético, un fenómeno que los astrónomos llaman «desplazamiento al rojo» y simbolizado por la letra «z».
El Telescopio James Webb tiene una capacidad excepcional para ver objetos y eventos de «alto corrimiento al rojo» o «alto corrimiento al rojo» como PJ308-21 debido a su sensibilidad a la luz infrarroja.
Loiacono concluyó diciendo: “Gracias a la sensibilidad del telescopio James Webb en el infrarrojo cercano y medio, es posible estudiar el espectro de los quásares y las galaxias compañeras con una precisión sin precedentes en el universo distante. Estas observaciones sólo pueden garantizarse. por la excelente “vista” proporcionada por el Telescopio James Webb «.
La investigación del equipo ha sido aceptada para su publicación en junio de 2024 en la revista. Astronomía y astrofísica..
