Reionizando el universo, con ayuda de los cuásares

• Título del artículo original: The Indirect Influence of Quasars on Reionization
• Autores: Jacob Seiler, Anne Hutter, Manodeep Sinha, Darren Croton
• Institución del primer autor: Centre for Astrophysics & Supercomputing, Swinburne University of Technology
• Estado de la publicación: Acceso abierto en arXiv.
• Astrobite original: Reionizing the universe, with a quasar assist; by Joanna Ramasawmy.

Empecemos con una breve historia del universo en sus etapas tempranas: al comienzo había fotones, protones, neutrones, y electrones (bueno, no exactamente al principio, sino cerca de 10 segundos luego del Big Bang; montones de cosas sucedieron antes, pero empecemos desde ahí). La materia estaba era plasma muy caliente, y permaneció así por aproximadamente 380,000 años. Luego, el universo se fue enfriando hasta que alcanzó una temperatura suficientemente baja para que los electrones se combinen con los protones y formen átomos. El universo se volvió neutro, y comenzó una edad oscura: los únicos fotones que había eran aquellos sobrantes de la recombinación (los que hoy forman el fondo cósmico de microondas) y por cientos de millones de años más no hubo otras fuentes de luz en el universo. Finalmente, se formaron las primeras estrellas y galaxias que produjeron los primeros fotones ultravioletas con energías lo suficientemente altas para ionizar la materia neutra que componía al universo. Esto marca la época de reionización.

El universo actual está ionizado. Descubrir exactamente cuándo y cómo fue reionizado es uno de los grandes desafíos de la astrofísica moderna. Existe cierta controversia con respecto a cuáles fueron las primeras fuentes de fotones ionizantes. Quizás fueron estrellas fugitivas (del inglés, runaway stars), AGNs (núcleos galácticos activos), cúmulos globulares, o galaxias de baja masa; el mecanismo dominante es aún tema de debate. Una de los grandes interrogantes es cómo escapó de las galaxias la radiación ionizante. Incluso si hay estrellas masivas emitiendo fotones UV, el gas y el polvo de la galaxia puede reabsorverlos y prevenir el escape al universo más profundo. La fracción de fotones ionizantes que puede escapar es cuantificada por la fracción de escape, f_esc.

En el trabajo de hoy, los autores investigan el rol de los cuásares en la reionización del universo. En lugar de considerar los fotones UV generados por los mismos cuásares (estos han sido descartados como fuente significativa de fotones reionizantes por diversos autores), ellos exploran los efectos indirectos que estos pueden tener en la reionización. Los vientos y eyecciones de materia producidos por estas máquinas alimentadas por agujeros negros supermasivos pueden volar las nubes de gas intermedias, permitiendo que más fotones ionizantes sean liberados.

Los autores simulan computacionalmente un modelo de universo para investigar el efecto de los cuásares a tiempos muy tempranos; utilizan una simulación de N cuerpos con un modelo semianalítico para la evolución de las galaxias. Retocan su modelo para permitir vientos impulsados por cuásares producidos por fusiones de galaxias. Luego comparan dos escenarios diferentes: uno con un bajo f_esc inicial que es aumentado cada vez que hay viento de un cuásar, llamémoslo escenario  1, y otro, el escenario 2, en el cual f_esc es fijado inicialmente en un valor alto.

Figure 1: La evolución de fesc con el redshift z. La línea roja muestra el modelo con fesc fijo, la línea punteada magenta muestra el modelo en el que parámetro es aumento por los cuásares. Las regiones sombreadas con gris muestran el fesc requerido por las observaciones. Fuente: Figura 2 del paper.

La Figura 1 muestra cómo cambia con el tiempo el parámetro de escape para ambos modelos, así como las estimaciones obtenidas a través de observaciones de galaxias de alto redshift. Ambos escenarios ajustan razonablemente bien las observaciones — a pesar de que inicialmente predice un f_esc mucho menor, el aumento que producen los vientos de los cuásar es suficiente para proveer los fotones ionizantes necesarios. No obstante, ambos modelos fallan a redshifts >10: no se produce una fracción de escape lo suficientemente alta. Los autores atribuyen esto a que la resolución de la simulación es demasiado baja para capturar galaxias en los halos de materia oscura pequeños; estas galaxias pueden contribuir significativamente a la radiación ionizante. Otra posibilidad es que la f_esc debería ser más alta a tiempos tempranos.

Figura 2: El fesc promedio para una dada masa estelar en el escenario 1, a diferentes redshidts. Fuente: Figura 3 en el paper.

Los autores también investigan cómo cambia f_esc con la masa en estrellas de la galaxia en el escenario 1. La Figura 2 muestra el f_esc promedio para una masa en estrellas dada a diferentes redshifts; para todos hay un pico para masas del orden de 10^7.5 — 10⁸ masas solares, pues el potenciamiento de los cuásares es más significativo en estos objetos de masa intermedia. Galaxias más pequeñas pueden no contener un AGN, mientras que galaxias más grandes tienen demasiado gas para ser despejado por el viento del cuásar. Si en efecto los cuásares producen este efecto de potenciamiento sobre la fracción de escape, el impacto de las galaxias de masa intermedia debería ser observable en el espectro de potencia de la línea de 21 cm, haciendo de esto una interesante predicción para futuros trabajos observacionales.

Resumiendo, el paper de hoy explora la idea que la actividad de los cuásares puede potenciar la fracción de fotones ionizantes que escapan de las galaxias, y muestra con un simple modelo de juguete que éstos pudieron jugar un papel crítico durante la época de la reionización. Al igual que muchos modelos de reionización, esto sólo podrá ser testeado cuando nuestras capacidades para estudiar la reionización mejoren. Los radiotelescopios de nueva generación tales como HERA, PAPER, y el Square Kilometre Array buscan medir el espectro de potencia de la línea de 21 cm en detalle, lo cual, en combinación con modelos como el presentado aquí, mejorará nuestro entendimiento de los procesos responsables de la reionización del universo.