Representación artística de un cuásar, un núcleo galactico activo con un agujero negro supermasivo en su Centro. Crédito: NASA, ESA and J. Olmsted (STScI).
Artículo en el que se basa este astrobito: Probing Early Supermassive Black Hole Growth and Quasar Evolution with Near-infrared Spectroscopy of 37 Reionization-era Quasars at 6.3 < z ≤ 7.64
Autoría: Jinyi Yang, Feige Wang, Xiaohui Fan, Aaron J. Barth, Joseph F. Hennawi, Riccardo Nanni, Fuyan Bian, Frederick B. Davies, Emanuele P. Farina, Jan-Torge Schindler, Eduardo Bañados, Roberto Decarli, Anna-Christina Eilers, Richard Green, Hengxiao Guo, Linhua Jiang, Jiang-Tao Li, Bram Venemans, Fabian Walter, Xue-Bing Wu, Minghao Yue
Institución del primer autor: Steward Observatory, University of Arizona, 933 N. Cherry Ave., Tucson, AZ 85721, USA
Estado de la publicación: publicado en “The Astrophysical Journal Letters”, vol. 923, 262.
Centros supermasivos
Los cuásares son unos de los objectos más intrigantes del Universo. Se encuentran entre los objetos más brillantes que existen, lo que hace posible observarlos hasta distancias extremadamente lejanas. De hecho, se conoce la existencia de cuásares alejados de nuestro planeta más de 10 billones de años luz. Esto corresponde a una etapa especialemente temprana del Universo, donde las primeras estrellas y galaxias comenzaban a formarse, conocida como la época de reionización. La formación de estos primeros cuerpos “encendió” el cosmos, dejando atrás una época de oscuridad y pasando a permitir que la luz viajara libremente.
Pero, ¿qué son exactamente los cuásares? Estos objetos son núcleos galácticos de gran actividad, lo que se conoce como núcleos activos de galaxias o AGN por sus siglas en inglés. En su centro encontramos un agujero negro supermasivo, con masas de millones, o hasta miles de millones de veces la masa de nuestro Sol. Estos agujeros negros son alimentados de forma constante por la caída del material de los alrededores, que se encuentra formando una estructura conocida como disco de acreción o de acrecimiento, a su interior (ver Figura de portada). Sin embargo, la presencia de estos agujeros negros supermasivos en etapas tan tempranas del Universo plantea numerosos desafíos a las teorías de formación actuales. ¿Cómo se pudieron formar estos gigantes negros en esta etapa evolutiva del Universo? El estudio que presentamos en este astrobito intenta arrojar un poco de luz a esta incógnita.
Agujeros negros en el Universo temprano
El tamaño de estos agujeros negros depende tanto de la masa de las pequeñas “semillas” de agujeros negros a partir de las cuáles éstos se formaron, así como de la rapidez con la que absorbe material de los alrededores. El equipo responsable de este estudio, liderado por Jinyi Yang del Observatorio Steward en Arizona (Estados Unidos), analizó espectros en el rango infrarrojo del espectro de 37 cuásars extremadamente lejanos, con valores de corrimiento al rojo o redshift de entre 6.3 y 7.6, lo que corresponde a una edad del Universo de solamente entre 700 y 900 millones de años.
Gracias a este análisis, el equipo de investigación pudo determinar las masas de la muestra de agujeros negros considerada en este trabajo, que iban desde valores de 300 millones hasta 3600 millones de veces la masa del Sol (ver Figura 1). Una característica especialmente interesante de esta muestra fue el ritmo de crecimiento o de absorción de material mostrado por estos agujeros negros, que llegaba a valores que superaban el doble del límite teórico esperado en estos objetos, conocido como el límite de Eddington. El sorprendente ritmo de acrecimiento de material ayuda por lo tanto a explicar el rápidon ritmo de crecimiento observado en estos agujeros negros.
Figura 1: Distribución de masa de los agujeros negros estudiados por Jinyi Yang y colaboradores en rojo en función de su luminosidad. Los marcadores de diferentes colores representan otras muestras de cuásares a redshift alreadedor de 6 por comparación. La masa de los agujeros negros se expresa en función de la masa solar. Las líneas negras representan la la relación esperada entre masa y luminosidad para diferentes valores con respecto a la luminosidad máxima teórica o luminosidad de Eddington. Crédito: adaptación de la Figura 3 del artículo original.
Midiendo el crecimiento de los agujeros negros
Gracias a estas observaciones, los responsables de este estudio pudieron determinar que los agujeros negros supermasivos tempranos debieron formarse a partir de “semillas” con masas de varios miles de veces la masa del Sol (Figura 2). Sin embargo, el origen de estas “semillas” es todavía desconocido. El artículo sugiere una primera posibilidad, basada en la formación a través del colapso de las primeras estrellas masivas. Sin embargo, aunque esta hipótesis parece explicar la formación de algunos de los agujeros negros hasta masas de solamente unos pocos cientos de masas solares, por debajo de los valores esperados. Otra posibilidad involucraría el colapso de nubes de gas que no han llegado a pasar por una fase estelar, aunque parece ser un mecanismo extremadamente raro y por lo tanto parece difícil que pueda explicar la totalidad de la formación de estas “semillas”.
En el caso de que las semillas iniciales fuesen pequeñas, un crecimiento muy rápido podría haber hecho que estos agujeros negros alcanzaran los tamaños gigantescos que hoy observamos. Sin embargo, para alcanzar la masa observada el crecimiento debería haber sido anómalamente elevado. Esto puede explicar la masa de aquellos agujeros negros en los que se observó un ritmo de absorción de material más elevado, pero mantiene la incógnita del origen de las semillas que Dieron lugar a los agujeros negros supermasivos en otros casos.
Figura 2: Masas medidas de los agujeros negros considerados en este estudio (cuadrados rojos) con respecto a la distancia (en redshift). Las líneas de diferentes Colores muestran los valores esperados de masa del agujero negro resultante a diferentes distancias, para diferentes valores de masas de las “semillas” iniciales. Crédito: Figura 8 del artículo original.
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