Un agujero negro supermasivo se encuentra en el centro de cada galaxia, incluida la Vía Láctea. Cuando un agujero negro está activo, atrae material en un torbellino de gas y polvo a alta temperatura, iluminando su entorno y radiando una gran cantidad de energía.
Los agujeros negros supermasivos más energéticos son conocidos como quásares, que son objetos extremadamente activos y luminosos en el universo. Estos sistemas voraces absorben tanto material que la energía que emiten puede superar toda la luz de la galaxia circundante. El patrón de luz de un quásar puede ofrecer pistas sobre cómo los agujeros negros supermasivos influyen en las galaxias que los rodean.
Recientemente, astrónomos del MIT y otras instituciones detectaron un quásar que parpadea desde el temprano universo. Este descubrimiento remonta la luz del quásar hasta el “amanecer cósmico”, apenas 850 millones de años después del Big Bang, siendo el quásar parpadeante más antiguo detectado hasta la fecha.
“Aunque se han encontrado muchos quásares en el amanecer cósmico, es la primera vez que vemos uno parpadeando”, afirma Gene Leung, investigador del MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.
El parpadeo del quásar permitió a los investigadores determinar que su disco de acreción, un torbellino de gas y polvo, tenía una forma sorprendentemente plana, similar a la de quásares más modernos.
El misterio de los agujeros negros supermasivos
Estos hallazgos añaden un misterio persistente en cosmología: ¿por qué existen agujeros negros supermasivos tan temprano en la historia del universo? Se ha supuesto que un disco de acreción plano indica un agujero negro relativamente maduro en un estado calmado y estable. Sin embargo, los agujeros negros en formación, como los del universo temprano, deberían presentar discos de acreción más caóticos.
El disco de acreción plano alrededor de este quásar antiguo intensifica el misterio sobre cómo los agujeros negros supermasivos pueden crecer y madurar en un tiempo cósmico tan corto.
“Esto sugiere que todas las fases de crecimiento rápido que se esperan en los agujeros negros ocurren muy, muy temprano, antes de que los veamos como quásares brillantes”, comenta Anna-Christina Eilers, profesora asistente de física en MIT.
La importancia de los agujeros negros supermasivos
Un agujero negro supermasivo puede ser miles de millones de veces más masivo que el sol. Estos gigantes gravitacionales son los “motores” centrales de la mayoría de las galaxias, regulando su formación y crecimiento estelar. “Sin agujeros negros supermasivos, ninguna galaxia tendría el aspecto que tiene hoy”, señala Eilers.
Se asumía que pasaría más de mil millones de años para que las primeras galaxias se estabilizaran, por lo que no se esperaban agujeros negros supermasivos en el universo temprano. Sin embargo, observaciones desde principios de la década de 2000 mostraron lo contrario, identificando más de 200 agujeros negros supermasivos en el primer mil millones de años del universo.
Estos quásares más antiguos se observaron como puntitos de luz que indican la existencia de un agujero negro supermasivo en esos tiempos. No obstante, desde estos puntos brillantes, no es posible conocer mucho más sobre los agujeros negros y sus entornos. Para ello, es necesario captar el “parpadeo” de un quásar.
Detectando el parpadeo de un quásar
Leung y Eilers se propusieron detectar un quásar parpadeante del universo temprano para aprender más sobre la forma y estructura de los primeros agujeros negros supermasivos. Este desafío técnico consistía en que, cuanto más lejos en el tiempo y espacio, más distorsionada aparece la luz de un objeto debido a la expansión del universo.
Para detectar un quásar parpadeante del amanecer cósmico, el equipo necesitaba observar el universo distante en longitudes de onda más rojas, específicamente en el espectro infrarrojo, durante largos períodos de tiempo. “Este fue el desafío técnico que tuvimos que superar”, comenta Eilers. “Necesitábamos datos en longitudes de onda infrarrojas tomados repetidamente a lo largo de muchos años”.
Finalmente, el equipo encontró un parpadeo en datos del Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer (NEOWISE), un telescopio infrarrojo que escaneó el cielo durante aproximadamente 14 años. A partir de estos datos, confirmaron que se trataba del quásar parpadeante más antiguo, a solo 850 millones de años después del Big Bang.
Características del quásar parpadeante
“Vimos que el quásar parpadeaba aleatoriamente durante el período de 14 años, similar a cómo parpadea la llama de una vela sin un patrón fijo”, observa Leung. Se estima que el quásar tiene el brillo equivalente a 12 billones de soles, fluctuando en un 20%, lo que implica una variación de aproximadamente 2 billones de soles.
Los investigadores también rastrearon cómo el brillo del quásar fluctuaba en diferentes longitudes de onda. La longitud de onda de la luz refleja la temperatura del material que emite la luz. Material más cercano a un agujero negro es más caliente, y así se puede utilizar la longitud de onda para mapear la forma y estructura del material dentro del disco de acreción.
Utilizando datos de NEOWISE, el equipo analizó el parpadeo del quásar para determinar la forma del disco de acreción que rodea al agujero negro supermasivo central. Descubrieron que el disco es sorprendentemente delgado y plano, una estructura que los astrónomos suelen observar alrededor de agujeros negros más viejos.
Conclusiones y futuro de la investigación
“Esto proporciona evidencia directa de que los mismos procesos de alimentación y estructuras observadas en el universo cercano ya estaban presentes en tiempos muy tempranos”, comenta Eilers. “Esto significa que algo sucedió incluso antes que llevó a que estos sistemas se vieran tan maduros”, añade Leung.
El equipo espera observar aún más atrás en el tiempo cósmico para capturar el desarrollo prematuro de un quásar, lo que permitirá a los científicos comenzar a entender las condiciones que fomentaron la formación de los primeros agujeros negros supermasivos.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por NASA.
