Un cuásar radio luminoso al límite

• Título del artículo técnico:  A Powerful Radio-Loud Quasar at the end of Cosmic Reionization
• Autores: Eduardo Banados, Chris Carilli, Fabian Walter, Emmanuel Momjian, Roberto Decarli, Emanuele P. Farina, Chiara Mazzucchelli, Bram P. Venemans
• Institución del primer autor: The Observatories of the Carnegie Institution for Science, Pasadena, CA
• Estado: Aceptado en ApJ letters (acceso abierto)
• Astrobite original: A Radio Bright Quasar at the Edge por Joshua Kerrigan

Los cuásares son unos de los objetos astronómicos más interesantes del universo, capaces de proporcionarnos información tanto de astrofísica como de cosmología. Cuando un cuásar con propiedades únicas, como el ser excepcionalmente luminoso, es descubierto, llama mucho la atención. Esto se debe a que puede proveer una oportunidad de hacer mediciones que no serían posibles de otra manera, como exploraremos en el astrobito de hoy.

¿Por qué tanto escándalo con los cuásares?

Los astronomos se fijan en los cuásares debido a las condiciones extremas que rodean su existencia. Son excepcionalmente luminosos y emiten en toda la extensión del espectro electromagnético. Se piensa que estas emisiones luminosas son debidas a la acreción de gas por un agujero negro supermasivo en el centro. Así que podrías preguntarte: si son tan brillantes, ¿por qué necesitamos telescopios para verlos? Bueno, esto se debe a que la mayoría de los cuásares se encuentran a distancias increibles, localizados a desplazamientos al rojo de z > 0.1, lo que significa que relativamente a cualquier cosa que sea local para nosotros, se verán muy débiles. De hecho, el cuásar más cercano a nosotros, Markarian 231, está a un desplazamiento al rojo de z=0.04.

Figura 1: Densidad de flujo de la emisión de un cuásar en las longitudes de onda observadas. Los picos que varían rápidamente entre ~4300 y 4900 Angstroms se conocen como el bosque de Lyman alfa, donde las caídas corresponden a hidrógeno neutro que ha absorbido los fotones Lyman alfa. Tomada de http://www.aip.de/groups/cosmology/im.html

Los que queremos resaltar hoy son cuásares en el extremo opuesto de ese espectro, aquellos que están muy lejos, a alto corrimiento al rojo. Este tipo de cuásares puede darnos sondeos directos de los periodos intermedios de la historia del Universo, como una cierta época que podria haber dejado al Universo reionizado. Una forma en la que un cuásar puede contarnos acerca de la cronología del universo es a través del bosque de Lyman alfa, que provee pistas acerca del contenido de hidrógeno neutro del medio intergaláctico (IGM, por sus siglas en inglés). Esto ocurre con la emisión UV de más alta energía (longitud de onda más corta que la línea de Lyman alfa) proveniente de galaxias a alto corrimiento al rojo es desplazada dentro del rango de absorción de Lyman alfa. Esto produce caídas en la densidad de flujo cuando se observan aquí en la Tierra, como en la figura 1. Podemos relacionar directamente estas caídas en la densidad de flujo con el corrimiento al rojo en el que se localiza el hidrógeno neutro.

Reionización cósmica

La época de la reionización (EoR, por sus siglas en inglés) es un periodo de la historia cósmica cuando el hidrógeno neutro del Universo temprano fue reionizado. Esto se debió a que las primeras estrellas y galaxias generaron radiación UV ionizante en abundancia, lo que sistemáticamente ionizó el hidrógeno que les rodeaba, empezando en algún momento alrededor de un corrimiento al rojo de 12 (300 millones de años tras el Big Bang). Este proceso, basado en nuestra “mejor conjetura“, habría culminado con la reionización alrededor de un corrimiento al rojo de 6. El tener una idea aproximada de cuando terminó al EoR, nos tan un muy buen punto de arranque para empezar a buscar algun evidencia adicional del proceso de reionización. Por tanto, estamos muy emocionados al descubrir cuásares a un corrimiento al rojo muy alto, porque pueden sondear directamente la cantidad de hidrógeno neutro presente en el IGM.

El cuásar más luminoso en radio hasta la fecha

Figura 2: las luminosidades logarítmicas relativas de cuásares a 4000 Angstroms vesus las emisiones de radio a 5 Ghz. Esto muestra que el cuásar P352-15 es el más brillante en radio de todos los cuásares competidores a alto corrimiento al rojo. Figura 4 del artículo técnico.

Ahora vamos al nuevo descubrimiento: el cuásar a alto corrimiento al rojo más luminoso en radio, PSO J352.4034-15.3373. Solo del 15% al 20% de todos los cuásares se consideran luminosos en radio, lo que significa que las emisiones en radio son las componentes más brillantes del espectro del cuásar. ¡Este cuásar recién descubierto, el cual se ha determinado que está a un corrimiento al rojo de z=5.82, tiene una densidad de flujo en radio un orden de magnitud mayor que el siguiente cuásar luminoso en radio a alto corrimiento al rojo (ver figura 2)! El pico de la densidad de flujo de PSO J352-15 se midió aproximadamente en 100 mJy en las

Figura 3: Mediciones de la densidad de flujo sobre las longitudes de onda observadas del cuásar PSO J352.4034-15.3373. Una abrupta caída a una longitud de onda de ~3800 Angstrom indica que entre nosotros y el cuásar hay un ambiente absorbedor de Lyman alfa muy denso. Figura 1 del artículo técnico.

frecuencias observadas de 230 MHz a 3 GHz. En comparación, Cygnus A, una de las radiogalaxias cercanas más luminosas tiene una densidad de flujo del orden de 10 a 100 Jy, lo que demuestra porqué estas fuentes a alto corrimiento al rojo son tan difíciles de ver.

De particular interés para la reionización es el seguimiento espectroscópico de PSO J352-15. En la figura 3 podemos ver que comparado con la plantilla de un cuásar (línea cortada azul), hay una caída abrupta en la densidad de flujo a 8300 Angstroms. Similar al bosque de Lyman alfa antes mencionado, esta abrupta señal de absorción nos da una pista de la presencia de un ambiente denso, lo que significa mucho hidrógeno neutro. Esta interesante característica de PSO J352-15 lo pone en una buena posición para sondear mediciones de 21 cm de la EoR usando radiotelescopios como el Murchison Widefield Array o el Giant Meterwave Radio Telescope.

Yendo más allá de las implicaciones cosmológicas, los autores adicionalmente señalan que potenciales estudios futuros de PSO J352-15 que podrían incluir mediciones de radio jets para entender cómo se forman los agujeros negros supermasivos, y qué tan importante es el modo de radio en retroalimentación para las galaxias tempranas. Para ver información adicional sobre PSO J352-15 puedes revisar el artículo complementario que ahonda en los componentes y morfología del cuásar.