Un cuento tan viejo como el tiempo.

Los puntos calientes en el fondo cósmico de microondas nos hablan de la historia y la evolución de los cuásares distantes.

Imagen de autor de un cúasar. Crédito: NRAO/AUI/NSF.

Sinopsis: Utilizando datos de ALMA, un equipo de astrónomos estudió el crecimiento y la evolución de las burbujas de plasma caliente producidas por el cuásar activo HE 0515-4414. La burbuja se analizó observando su efecto sobre la luz del fondo cósmico de microondas. Es la primera vez que se utiliza este método para estudiar directamente las salidas de los cuásares.

La radiación de fondo de microondas cósmica es la primera luz en el cosmos. La luz que vemos comenzó su viaje cuando el universo tenía solo 380.000 años, cuando la temperatura del universo finalmente cayó hasta el punto en que el plasma primordial de electrones y protones se enfrió lo suficiente como para formar gas de hidrógeno transparente. Al principio, el fondo cósmico era un espectro de cuerpo negro casi perfecto. Un espectro de cuerpo negro es el espectro de la luz causada por la temperatura de un objeto. La luz solar, por ejemplo, también es un espectro de cuerpo negro. Poco después de su primera aparición, el cuerpo negro cósmico era un resplandor naranja, pero durante su viaje de 13.700 millones de años, la expansión del universo, lo cambió al infrarrojo y luego a la radiación de microondas. Ahora vemos este fondo como un débil resplandor de la luz de microondas que viene de todas direcciones.

El fondo cósmico sigue siendo un cuerpo negro, pero no perfecto, se encuentran pequeñas fluctuaciones en el fondo. Regiones que son un poco más cálidas que el promedio, y regiones que son un poco más frías. La mayoría de estas fluctuaciones se deben a variaciones en el universo temprano. Las regiones ligeramente más cálidas se expandieron para llenar los vastos vacíos entre las galaxias, mientras que las regiones ligeramente más frías se condensaron en galaxias y grupos de galaxias.

Radiación de fondo de microondas cósmica. Radiación sobrante del Big Bang.
Debido a la expansión del Universo, la radiación se detecta en la porción de
microondas del espectro (300 MHz [100 cm] a 300 GHz [0.1 cm]), y tiene una temperatura
de solo 2,7 º K (Kelvin) o -270,45 º C (Celsius).
Crédito: NASA / WMAP Science Team.

Pero algunas de estas fluctuaciones se deben al viaje tremendamente largo que tomó la luz para alcanzarnos. Mientras viajaba por miles de millones de años, la luz del fondo cósmico pasó a través de todo el gas, el polvo y el plasma entre nosotros y su fuente. Parte de la luz fue absorbida. Algo de energía perdida se dispersa y ahora parece más frío de lo que sería de otra manera. Pero algo de eso ganó energía, haciendo que el fondo cósmico pareciera más cálido de lo que debería.

Este proceso de calentamiento se conoce como el efecto Sunyaev-Zel’dovich (o efecto SZ). Cuando los fotones de baja energía del fondo cósmico de microondas pasan a través de una región de plasma caliente, pueden colisionar con electrones de movimiento rápido. Los fotones se dispersan con mucha energía. Así que la luz cósmica deja la región más cálida y brillante, dejando un "agujero" en el fondo a bajas frecuencias, correspondientes a las energías de fotones más bajas. Al buscar fluctuaciones de temperatura en el fondo cósmico, los astrónomos pueden estudiar regiones de plasma caliente.

En un artículo reciente publicado en los Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society, un equipo de investigadores usó el efecto SZ para estudiar las burbujas de plasma caliente cerca de los cuásares distantes. Los cuásares son radios luminosos en el cielo. Son alimentados por agujeros negros supermasivos en los corazones de las galaxias. A medida que los agujeros negros consumen materia cerca de ellos, irradian una energía tremenda. A menudo son más de 100 veces más brillantes que la galaxia en la que viven. Esto puede crear un viento cuásar de gas ionizado que fluye lejos de la galaxia, similar a la forma en que nuestro Sol crea un viento solar. Cuando el viento del cuásar choca con el gas difuso y fresco del espacio intergaláctico, puede crear burbujas de plasma caliente.

Esta imagen de las antenas de ALMA sobre el llano de Chajnantor, a 5000 metros de
altura en los Andes chilenos, fue tomada en unos pocos días antes del comienzo
de la Ciencia Inicial con ALMA. En el llano se pueden ver diecinueve antenas.
Crédito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / W. Garnier (ALMA).

Los cuásares no son tan lejanos como el fondo cósmico de microondas, pero siguen estando a miles de millones de años luz lejos. Eso significa que cualquier luz emitida por las burbujas de plasma es demasiado débil para ser observada directamente. Pero se pueden estudiar a través del efecto SZ. Para hacer eso, sin embargo, necesita capturar imágenes de alta resolución del fondo de microondas. Aquí es donde entra en juego la matriz de gran milímetro / submilimétrico de Atacama (ALMA). Ubicada en los Andes del norte de Chile, ALMA puede capturar imágenes de microondas con una resolución similar a las imágenes de luz visible capturadas por el telescopio espacial Hubble. Así como el Hubble puede mostrarnos bellas imágenes de nebulosas distantes, ALMA puede capturar imágenes de burbujas de plasma calientes.

Usando datos de ALMA, los astrónomos detectaron una burbuja cerca del cuásar HE 0515-4414. Este es un cuásar hiperluminoso, lo que significa que es extremadamente brillante y activo. Pero sorprendentemente cuando utilizaron sus datos para medir el viento del cuásar, encontraron que era más pequeño de lo previsto. El viento del cuásar es solo el 0,01% de la luminosidad total del cuásar. Los modelos teóricos predijeron que el viento del cuásar debería ser mucho más fuerte. Parece que si bien los cuásares pueden crear burbujas calientes de plasma alrededor de una galaxia, el proceso no es particularmente eficiente.

La escala de la burbuja también les dijo que se formó en un período de unos 100 millones de años, y que se enfriarán unos 600 millones de años. Esas escalas de tiempo son lo suficientemente largas como para que las burbujas de plasma calientes puedan interactuar con material más frío en la galaxia para influir en la producción de estrellas y la evolución de la galaxia.

Por supuesto, esta es solo la primera burbuja de plasma caliente que se observa, y es imposible saber si el HE 0515-4414 es una excepción típica o rara. Así que la búsqueda es para encontrar más cuásares de burbujas.

Lacy, Mark, et al. "Detección directa de la retroalimentación del quásar a través del efecto Sunyaev-Zeldovich", “Direct detection of quasar feedback via the Sunyaev–Zeldovich effect.”. Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society: Letters 483.1 (2018): L22-L27. (versión arxiv).

• Publicado en NRAO el 7 de enero del 2.019, enlace noticia.