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Hace mucho tiempo en un cuásar muy, muy lejano

Figura 1. Telescopios de Magallanes, en el observatorio Las Campanas en Chile, donde se tomaron los datos fotométricos y espectroscópicos. Crédito: Ana Frebel.

Con los avances de la tecnología y más tiempo dedicado a los sondeos de cielo profundo, somos capaces de explorar más y más el universo. El astrobito de hoy se trata de un nuevo descubrimiento del cuásar más distante, un agujero negro supermasivo increíblemente luminoso y activo, jamás observado. Está en un desplazamiento hacia el rojo z = 7.54: su luz ha estado viajando hacia nosotros durante 13.1 mil millones de años, desde cuando el universo tenía solo 690 millones de años.

Entonces, ¿por qué es esto interesante? Sin duda, a medida que miramos más profundamente, estamos obligados a encontrar objetos “más distantes”, es solo cuestión de tiempo. Pero encontrar objetos como estos es un desafío, y tales descubrimientos pueden revelar mucho sobre el universo primitivo.

El siguiente cuásar más lejano, llamado ULAS J1120 + 0641, fue descubierto en 2011, y es el único cuásar detectado con un corrimiento hacia el rojo mayor que 7. Obtener una muestra más grande de cuásares en estos altos corrimientos hacia el rojo ha sido una alta prioridad en investigaciones sobre el universo primigenio, pero han demostrado ser difíciles de encontrar. ¿Por qué cuásares? Son los objetos más luminosos del universo e investigar qué sucede con la radiación que emiten nos dice sobre el universo que los rodea. ¿Por qué z> 7? Porque entonces estamos investigando la época de la reionización.

Detectando cuásares de alto z

¿Por qué es tan difícil encontrar estos cuásares muy distantes? La forma más fácil de detectar cuásares es usar sus espectros ópticos, y sondeos como SDSS han descubierto miles de estos. Pero por encima de z = 7, los cuásares dejan de ser visibles en las bandas ópticas. El hidrógeno neutro a lo largo de la línea de visión absorbe gran parte de la radiación más energética que la línea de Lyman-alpha, la primera transición de electrones de la serie Lyman. A z> 7, la emisión restante en Lyman-alpha se desplaza al rojo a longitudes de onda de más de 1 micrómetro, bien fuera de la ventana óptica.

El enfoque utilizado por los autores de este documento es combinar tres sondeos infrarrojas que exploran tres longitudes de onda diferentes. Si se detecta una fuente en las dos longitudes de onda más largas, pero no en el más corto, entonces es probable que toda la emisión más allá de 1 micrómetro sea absorbida por hidrógeno neutral intermedio, por lo que la fuente debe estar en un desplazamiento al rojo muy alto.

Las mediciones fotométricas y espectroscópicas que se muestran en la figura 2 confirman que la fuente es un cuásar con alto desplazamiento al rojo.

 

Figura 2: Los datos fotométricos y espectroscópicos utilizados para identificar este cuásar sin precedentes. Arriba: las imágenes fotométricas, que muestran las detecciones en longitudes de onda más largas, y la clara falta de detección en la longitud de onda más corta (banda z). Medio: el espectro del cuásar, incluido un acercamiento de la línea Magnesio II, cuyo ancho se usó para determinar la masa del agujero negro. Abajo: la transmisión de los 5 filtros fotométricos utilizados. Figura 1 en el artículo.

Sondeando el universo primigenio

Al observar el espectro de un cuásar a un desplazamiento al rojo tan alto, podemos aprender sobre su entorno en este momento temprano en el universo. El hidrógeno en el universo local está ionizado: la luz puede viajar libremente sin ser absorbida. Pero en el universo temprano, el hidrógeno era neutral, absorbiendo todas las emisiones de Lyman-alpha. La transición entre estas fases se conoce como la reionización del universo. Entonces, a un desplazamiento al rojo muy alto, al explorar esta época de reionización, todavía hay suficiente hidrógeno neutro en el universo que hace una marca perceptible en el espectro del cuásar. Esta gran serie de astrobites (en Inglés) describe los efectos del hidrógeno neutro en el espectro de cuásar con más detalle, pero en el artículo de hoy los autores afirman detectar una firma de hidrógeno neutro que coloca a este cuásar bien en la época de reionización, solo observado una vez antes, en ULAS J1120. Esto concuerda con las estimaciones de que el universo se ionizó en algún lugar entre los corrimientos al rojo 10 y 7 determinados por otros métodos.

¿Cómo hacer crecer un agujero negro supermasivo?

La otra restricción importante que proporciona esta observación se refiere al crecimiento de agujeros negros supermasivos (SMBH por sus siglas en Inglés). Los autores miden que la masa del agujero negro en este cuásar es de alrededor de 800 millones de masas solares, lo que significa que, de alguna manera, el universo tuvo que hacer crecer un agujero negro tan grande en una tiempo relativamente corto de 690 millones de años después del Big Bang. Usando estimaciones de crecimiento típicas para SMBHs, esto requiere un agujero negro original con una masa de al menos 1000 masas solares. Junto con otros cuásares de alta z, esto impone limitaciones significativas a los modelos de formación de SMBH.

Este descubrimiento es mucho más que solo un nuevo poseedor de un récord: proporciona otra investigación sobre el universo primigenio, lo que nos permite probar teorías sobre la evolución de los primeros mil millones de años. Pero como los autores enfatizan, se requieren más detecciones con alto desplazamiento hacia el rojo para comprender mejor la historia de ionización del universo: este descubrimiento ha duplicado el tamaño de la muestra de quasares a z> 7, ¡pero dos sigue siendo una muestra muy pequeña!

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