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Descubiertos 83 agujeros negros supermasivos en el Universo primigenio

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Recreación artística de un quásar, con un agujero negro supermasivo en el centro. La energía gravitacional de los materiales en el agujero se muestra como luz. Crédito: Yoshiki Matsuoka

5/03/2019

Un equipo de astrónomos ha descubierto 83 cuásares alimentados por agujeros negros supermasivos cuando el Universo era menos de una décima parte de lo que es actualmente. Este hallazgo aumenta el número de agujeros negros conocidos hasta el momento, y revela por primera vez hasta qué punto eran comunes los agujeros negros en los inicios de la historia del cosmos. El estudio también detalla los efectos de los agujeros negros en el estado físico del gas en el Universo durante los primeros mil millones de años.

Los agujeros negros supermasivos se encuentran en el centro de las galaxias. Aunque predominan en el Universo actual, no se sabe con certeza cuándo se formaron ni cuántos hay. De entre ellos, los agujeros distantes se identifican como cuásares, que brillan cuando acumulan gas. Los estudios previos solo han examinado los cuásares más luminosos —de número escaso—, y por tanto, los agujeros negros más masivos. El nuevo descubrimiento muestra una población de agujeros negros con masas típicas de los agujeros negros comunes que se aprecian en el universo actual, y ayuda a explicar sus orígenes.

Para escoger los cuásares candidatos a estudio, un equipo de investigación liderado por Yoshiki Matsuoka, de la Universidad de Ehime (Japón), usó datos obtenidos con un instrumento innovador, la cámara Hyper Suprime-Cam (HSC). Montada en el telescopio Subaru del Observatorio Astronómico Nacional de Japón, en la cima del Mauna Kea (Hawai), la HSC es especialmente potente porque tiene un campo de visión de 1,77 grados cuadrados (siete veces el área de la luna llena). El equipo de la HSC está desarrollando un análisis del cielo con los datos de trescientas noches obtenidos por el telescopio a lo largo de cinco años. A partir de dichos datos se seleccionaron los cuásares cuyo análisis desembocó en el descubrimiento de los agujeros negros supermasivos. Además, los astrónomos han trabajado en una campaña de observación para obtener variantes de estos candidatos utilizando el telescopio Subaru, el Gran Telescopio Canarias (GTC), y el telescopio Gemini. Kazushi Iwasawa, experto del Instituto de Ciencias del Cosmos de la UB, ha sido el investigador principal de las observaciones que se han llevado a cabo con el GTC en esta segunda fase, en la que se descubrieron cerca de un tercio de nuevos cuásares. En el área estudiada, la investigación ha mostrado 83 cuásares que no se conocían antes y diecisiete ya conocidos. Los investigadores encontraron que, en cada cubo de miles de millones de años luz de lado hay, aproximadamente, un agujero negro supermasivo.

Asimismo, los astrónomos han descubierto que los cuásares están a unos 13.000 millones de años luz de la Tierra, es decir, que los vemos tal como eran entonces. El tiempo que ha transcurrido desde el Big Bang hasta esta época cósmica es solo un 5 % del presente cósmico (13.800 millones de años), y es destacable el hecho de que estos objetos tan densos pudieran formarse muy rápidamente después del Big Bang. El cuásar más distante descubierto en este trabajo está a 13.050 millones de años luz, una distancia similar a la del segundo agujero negro supermasivo más lejano que se ha descubierto hasta ahora.

Por otra parte, los resultados de la investigación implican un replanteamiento de la hipótesis sobre la reionización del hidrógeno en el cosmos. Se ha aceptado que el hidrógeno fue neutro en el Universo, pero que se reionizó —se dividió en protones y electrones— durante el período en que apareció la primera generación de estrellas, galaxias y agujeros negros, y durante los primeros cien millones años después del Big Bang. Este es un hito en la historia de la cosmología, pero todavía no se sabe qué proporcionó la gran cantidad de energía necesaria para generar la reionización. Una hipótesis indica que había muchos más cuásares al inicio del universo de los que se han detectado, y que su radiación integrada reionizó el Universo. Sin embargo, la densidad medida por el equipo del HSC indica que no es el caso: el número de cuásares observados es mucho menor de lo que se necesita para explicar la reionización. Por lo tanto, este fenómeno habría surgido de alguna otra fuente de energía, probablemente de varias galaxias que se formaron en el cosmos.

Con los resultados obtenidos hasta ahora, el equipo prevé buscar más agujeros negros supermasivos distantes y poder revelar el periodo en que apareció el primero en el Universo.

El equipo de investigación, dirigido por Yoshiki Matsuoka, está formado por 48 astrónomos de todo el mundo. Cabe mencionar, por su papel relevante en las fases individuales del proyecto, a Nobunari Kashikawa (Universidad de Tokio), Michael Strauss (Universidad de Princeton), Masafusa Onoue (Instituto Max Planck de Astronomía), Kazushi Iwasawa (ICCUB) y Tomotsugu Goto ( Universidad Nacional de Tsing Hua). Los resultados de esta investigación se han publicado en las revistas Astrophysical Journal Letters, The Astrophysical Journal Supplement Series, Publications of the Astronomical Society of Japan y The Astrophysical Journal.

Referencia de los artículos

[1] Matsuoka et al. «Discovery of the first low-luminosity quasar at z > 7». The Astrophysical Journal Letters, 872 (2019), 2.

[2] Matsuoka et al. «Subaru high-z exploration of low-luminosity quasars (SHELLQs). V. Quasar luminosity function and contribution to cosmic reionization at z = 6», 2018, The Astrophysical Journal, 869 (2018), 150.

[3] Matsuoka et al. «Subaru high-z exploration of low-luminosity quasars (SHELLQs). IV. Discovery of 41 quasars and luminous galaxies at 5.7 ≤ z ≤ 6.9». The Astrophysical Journal Supplement Series, 237 (2018), 5.

[4] Matsuoka et al. «Subaru high-z exploration of low-luminosity quasars (SHELLQs). II. Discovery of 32 quasars and luminous galaxies at 5.7 < z ≤ 6.8». Publications of the Astronomical Society of Japan, 70 (2018), S35.

[5] Matsuoka et al. «Subaru high-z exploration of low-luminosity quasars (SHELLQs). I. Discovery of 15 quasars and bright galaxies at 5.7 < z < 6.9». The Astrophysical Journal, 828 (2016), 26.

 
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