Hubble detecta quásares dobles en galaxias fusionadas

El telescopio espacial Hubble de la NASA está “viendo doble”. Mirando hacia atrás 10 mil millones de años en el pasado del universo, los astrónomos del Hubble encontraron un par de cuásares que están tan cerca el uno del otro que parecen un solo objeto en las fotos telescópicas terrestres, pero no en la vista nítida del Hubble.

Los investigadores creen que los cuásares están muy cerca uno de otro porque residen en los núcleos de dos galaxias fusionadas. El equipo encontró, además, otro par de cuásares en otro dúo de galaxias en colisión.

Esta representación muestra la luz brillante de dos quásares que residen en los núcleos de dos galaxias que se encuentran en el caótico proceso de fusión. El tira y afloja gravitacional entre las dos galaxias las estira, formando largas colas de marea y encendien una mecha en el nacimiento de estrellas. Los quásares son las balizas brillantes de luz intensa, provenientes de los centros de galaxias distantes. Están alimentados por agujeros negros supermasivos que “tragan” vorazmente la materia que cae en ellos. Este frenesí de alimentación desata un torrente de radiación que puede eclipsar la luz colectiva de miles de millones de estrellas de la galaxia anfitriona. En unas pocas decenas de millones de años, los agujeros negros y sus galaxias se fusionarán, al igual que el par de quásares, formando un agujero negro aún más masivo. Una secuencia similar de eventos ocurrirá dentro de unos pocos miles de millones de años cuando nuestra galaxia, la Vía Láctea, se fusione con la vecina galaxia de Andrómeda.
Créditos: NASA, ESA y J. Olmsted (STScI).

Un quásar es un faro brillante de luz intensa procedente del centro de una galaxia distante, cuya emisión es tan potente que puede eclipsar a toda la galaxia. Su fuente de energía proviene de un agujero negro supermasivo que se alimenta vorazmente de materia, desatando un torrente de radiación.

“Estimamos que en el universo distante, por cada 1.000 quásares, hay un doble quásar. Así que encontrar estos dobles quásares es como encontrar una aguja en un pajar”, dijo el investigador principal Yue Shen de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

Los investigadores apuntan a que el descubrimiento de estos cuatro quásares ofrece una nueva forma de sondear colisiones entre galaxias y la fusión de agujeros negros supermasivos en el universo temprano.

Los quásares están esparcidos por todo el firmamento y eran más abundantes hace 10 mil millones de años. Hubo muchas fusiones de galaxias alimentando agujeros negros en ese entonces. Por ello, los astrónomos teorizan que debería haber habido muchos quásares duales durante ese tiempo.

“Esta es realmente la primera muestra de quásares duales en la época de máxima formación de galaxias que podemos utilizar para plantear ideas sobre cómo los agujeros negros supermasivos se unen para formar un binario”, dijo Nadia Zakamska, miembro del equipo de investigación de la Universidad Johns Hopkins Baltimore, Maryland.

Los estudios del equipo aparecieron en la edición online del 1 de abril, de la revista Nature Astronomy.

Estas dos imágenes del Telescopio Espacial Hubble revelan dos pares de quásares que existieron hace 10 mil millones de años y residen en el corazón de dos galaxias fusionadas. Cada uno de los cuatro quásares reside en una galaxia anfitriona. Sin embargo, estas galaxias no se pueden ver porque son demasiado débiles, incluso para el Hubble. Los quásares dentro de cada par están separados por unos 10.000 años luz, lo más cercano jamás visto en esta época cósmica. El par de quásares en la imagen de la izquierda está catalogado como J0749 + 2255 y el par de la derecha como J0841 + 4825. Los dos pares de galaxias anfitrionas habitadas por cada doble quásar se fusionarán. Los quásares se orbitarán estrechamente entre sí hasta que finalmente se junten en espiral y se fusionen, lo que dará como resultado un agujero negro aún más masivo, pero solitario. La imagen de J0749 + 2255 se tomó el 5 de enero de 2020. La instantánea de J0841 + 4825 se tomó el 30 de noviembre de 2019. Ambas imágenes se obtuvieron en luz visible con la cámara de campo amplio 3.
Créditos: NASA, ESA, H. Hwang y N. Zakamska (Universidad Johns Hopkins) e Y. Shen (Universidad de Illinois, Urbana-Champaign).

Shen y Zakamska son miembros de un equipo que está utilizando el Hubble, el observatorio espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea y el Sloan Digital Sky Survey, así como varios telescopios terrestres, para cuantificar un censo sólido de pares de quásares en el universo temprano.

Las observaciones son importantes porque el papel de un quásar en los encuentros galácticos, según los investigadores, juega un papel fundamental en la formación de galaxias. A medida que dos galaxias cercanas comienzan a distorsionarse gravitacionalmente, su interacción canaliza material hacia sus respectivos agujeros negros, encendiendo sus quásares.

Con el tiempo, la radiación de estas “bombillas” de alta intensidad, lanza poderosos vientos galácticos, que barren la mayor parte del gas de las galaxias fusionadas. Privadas de gas, la formación de estrellas cesa y las galaxias evolucionan hacia galaxias elípticas.

“Los quásares tienen un impacto profundo en la formación de galaxias en el universo”, dijo Zakamska. “Encontrar quásares duales en esta época temprana es importante porque ahora podemos probar nuestras ideas en base a muchos datos, sobre cómo los agujeros negros y sus galaxias anfitrionas evolucionan juntos”.

Hasta ahora, los astrónomos han descubierto más de 100 quásares dobles en galaxias fusionadas. Sin embargo, ninguno de ellos es tan antiguo como los dos quásares dobles de este estudio.

Las imágenes del Hubble muestran que los quásares dentro de cada par, están separados por solo unos 10.000 años luz. Nuestro Sol está a 26.000 años luz del agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia.

Los pares de galaxias anfitrionas se fusionarán, más tarde, los quásares también se fusionarán, dando como resultado un solo agujero negro aún más masivo.

Encontrarlos no fue fácil. El Hubble es el único telescopio con una visión lo suficientemente nítida como para observar el universo primitivo y distinguir dos quásares cercanos que están tan lejos de la Tierra. Sin embargo, la nítida resolución del Hubble por sí misma, no es lo suficientemente buena para encontrar estas balizas de luz dual.

Los astrónomos primero necesitaron averiguar dónde apuntar al Hubble para estudiarlos. El desafío es que el cielo está cubierto con un tapiz de quásares antiguos que cobraron vida hace 10 mil millones de años, de los cuales solo una pequeña fracción son duales. Se necesitó una técnica imaginativa e innovadora que requirió la ayuda del satélite Gaia de la Agencia Espacial Europea y el Sloan Digital Sky Survey con base en tierra, para compilar un grupo de candidatos potenciales para que Hubble los observara.

Ubicado en el Observatorio Apache Point en Nuevo México, el telescopio Sloan produce mapas tridimensionales de objetos en todo el cielo. El equipo estudió detenidamente la observación de Sloan para identificar los quásares y estudiarlos más de cerca.

Esta simulación muestra la luz brillante y parpadeante de un par de quásares. Los astrónomos, a partir de un estudio reciente, dedujeron que la luz parpadeante es una señal reveladora de la presencia de dos quásares y no de un solo objeto. Los quásares residen en el corazón de las galaxias. Son encendidos por monstruosos agujeros negros que se alimentan vorazmente de la materia que cae, desatando un torrente de radiación. La luz de un quásar fluctúa en brillo según la cantidad de material que está devorando su agujero negro en ese momento. Este par de quásares arroja luz porque sus galaxias están en proceso de fusión, lo que proporciona mucho combustible para sus hambrientos agujeros negros. Los quásares aparecen muy juntos porque ellos también están en proceso de fusión, junto con sus galaxias. Los quásares fueron identificados por primera vez por la nave espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea, que mide pequeños cambios en el brillo de las estrellas. El par de quásares está demasiado lejos para que Gaia lo defina. Sin embargo, Gaia también midió una aparente “sacudida” en la luz. El “jiggle” es una señal de luz parpadeante independiente entre dos quásares separados, similar a un par de luces alternas en una señal de cruce de ferrocarril. El telescopio espacial Hubble es lo suficientemente nítido como para visualizar el par de quásares, de los cuales los astrónomos habían sospechado su existencia a partir de los datos de Gaia.
Créditos: NASA, ESA y J. Olmsted (STScI).

Los investigadores recurrieron al observatorio Gaia para ayudar a identificar posibles candidatos de doble quásar. Gaia mide las posiciones, distancias y movimientos de los objetos celestes cercanos con mucha precisión. Pero el equipo ideó una aplicación nueva e innovadora para Gai,a que podría usarse para explorar el universo distante. Utilizaron la base de datos del observatorio para buscar quásares que imiten el movimiento aparente de estrellas cercanas. Los quásares aparecen como objetos individuales en los datos de Gaia. Sin embargo, Gaia fue capaz de percibir una “sacudida” sutil e inesperada, en la posición aparente de algunos de los quásares que observaban.

Los quásares no se mueven a través del espacio de ninguna manera mensurable, sino que su movimiento podría ser evidencia de fluctuaciones aleatorias de luz a medida que cada miembro del par de quásares varía en brillo. Los quásares parpadean en brillo en escalas de tiempo de días a meses, dependiendo del horario de alimentación de su agujero negro.

Este brillo alterno entre el par de quásares es similar a ver una señal de cruce de ferrocarril desde la distancia. Cuando las luces a ambos lados de la señal estacionaria parpadean alternativamente, la señal da la ilusión de “sacudirse”.

Cuando se observaron los primeros cuatro objetivos con el Hubble, su visión nítida reveló que dos de los objetivos son dos pares cercanos de quásares. Los investigadores dijeron que fue un “momento de bombilla” que verificó su plan de usar a Sloan, Gaia y Hubble para buscar las antiguas y esquivas fuentes dobles.

Xin Liu, miembro del equipo de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, calificó la confirmación del Hubble como una “sorpresa feliz”. Ha buscado durante mucho tiempo quásares dobles más cerca de la Tierra utilizando diferentes técnicas con telescopios terrestres. “La nueva técnica no solo puede descubrir quásares duales mucho más lejos, sino que es mucho más eficiente que los métodos que hemos usado antes”, dijo.

Su artículo en Nature Astronomy es una “prueba que realmente demuestra que nuestra búsqueda específica de quásares duales es muy eficiente”, dijo el miembro del equipo Hsiang-Chih Hwang, estudiante graduado de la Universidad Johns Hopkins e investigador principal del programa Hubble. “Abre una nueva dirección en la que podemos registrar muchos más sistemas interesantes para seguir, lo que los astrónomos no pudieron hacer con técnicas o conjuntos de datos anteriores”.

El equipo también obtuvo observaciones con los telescopios Gemini de la National Science Foundation NOIRLab. “La espectroscopia de Gemini puede rechazar sin ambigüedad a los intrusos, debido a superposiciones fortuitas de sistemas estrella-quásar no asociados, donde la estrella en primer plano está alineada coincidentemente con el quásar de fondo”, dijo el miembro del equipo Yu-Ching Chen, estudiante de posgrado de la Universidad de Illinois. en Urbana-Champaign.

Aunque el equipo está convencido de su resultado, dicen que existe una pequeña posibilidad de que las instantáneas del Hubble capturaran imágenes dobles del mismo quásar, una ilusión causada por lentes gravitacionales. Este fenómeno ocurre cuando la gravedad de una galaxia masiva en primer plano divide y amplifica la luz del quásar de fondo en dos imágenes especulares. Sin embargo, los investigadores creen que este escenario es muy poco probable porque el Hubble no detectó ninguna galaxia en primer plano cerca de los dos pares de quásares.

Las fusiones galácticas eran más abundantes hace miles de millones de años, pero algunas todavía están sucediendo hoy. Un ejemplo es NGC 6240, un sistema cercano de galaxias fusionadas que tiene dos y posiblemente hasta tres agujeros negros supermasivos. Una fusión galáctica aún más cercana ocurrirá en unos pocos miles de millones de años cuando nuestra galaxia, la Vía Láctea, choque con la vecina galaxia de Andrómeda. La pelea galáctica probablemente alimentará los agujeros negros supermasivos en el núcleo de cada galaxia, encendiéndolos como quásares.

Los futuros telescopios pueden ofrecer más información sobre estos sistemas fusionados. El telescopio espacial James Webb de la NASA, un observatorio infrarrojo programado para ser lanzado a finales de este año, explorará las galaxias anfitrionas de los quásares. Webb mostrará las firmas de las fusiones galácticas, como la distribución de la luz de las estrellas y las largas serpentinas de gas extraídas de las galaxias que interactúan.

El telescopio espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore, Maryland, lleva a cabo las operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía en Washington, D.C.