Observaciones de ESO revelan cuál fue el desayuno de los agujeros negros durante el Amanecer Cósmico.

Un halo de gas, observado con MUSE, rodeando a una fusión de galaxias observada con ALMA. Esta imagen muestra un halo de gas recién observado con el instrumento MUSE, instalado en el Very Large Telescope de ESO, superpuesto a una imagen más antigua de una fusión de galaxias obtenida con ALMA. El halo a gran escala de gas de hidrógeno se muestra en azul, mientras que los datos de ALMA se muestran en naranja. El halo está unido a la galaxia, que contiene un cuásar en su centro. El débil y brillante gas de hidrógeno del halo proporciona la fuente de alimento perfecta para el agujero negro supermasivo que hay en el centro del cuásar. Los objetos se encuentran en un desplazamiento al rojo de 6,2, lo que significa que se ven tal y como eran hace 12.800 millones de años. Mientras que los cuásares son brillantes, los reservorios de gas a su alrededor son mucho más difíciles de observar. Pero MUSE ha podido detectar el débil resplandor del gas de hidrógeno en los halos, permitiendo a los astrónomos revelar al fin la fuente de alimento que potencia los agujeros negros supermasivos en el universo primitivo. Crédito: ESO/Farina et al.; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Decarli et al.

Utilizando el Very Large Telescope de ESO, un equipo de astrónomos ha observado acumulaciones de gas frío alrededor de algunas de las primeras galaxias del universo. Estos halos de gas son el alimento perfecto para agujeros negros supermasivos, situados en el centro de estas galaxias, que ahora se ven como eran hace más de 12.500 millones de años. Este almacén de alimento podría explicar cómo estos monstruos cósmicos crecieron tan rápido durante un período de la historia del universo conocido como el Amanecer Cósmico.

“Ahora podemos demostrar, por primera vez, que las galaxias primordiales tienen suficiente comida en su entorno para mantener tanto el crecimiento de agujeros negros supermasivos como la intensa formación de estrellas”, afirma Emanuele Paolo Farina, del Instituto Max Planck de Astronomía de Heidelberg, Alemania, quien dirigió la investigación publicada hoy en la revista The Astrophysical Journal. "Esto añade una pieza fundamental al rompecabezas que los astrónomos están armando para describir cómo se formaron las estructuras cósmicas hace más de doce mil millones de años".

Una de las preguntas que se han hecho siempre los astrónomos es cómo pudieron los agujeros negros supermasivos crecer tanto y en una etapa tan temprana de la historia del universo. “La presencia de estos primeros monstruos, con masas de varios miles de millones de veces la masa de nuestro Sol, es un gran misterio”, dice Farina, quien también está afiliado al Instituto Max Planck de Astrofísica de Garching (cerca de Múnich, en Alemania). Esto significa que los primeros agujeros negros, que podrían haberse formado a partir del colapso de las primeras estrellas, deben haber crecido muy rápido. Pero, hasta ahora, no se habían detectado "alimentos para agujeros negros" —gas y polvo— en cantidades lo suficientemente grandes como para explicar este rápido crecimiento.

Para complicar aún más las cosas, observaciones previas llevadas a cabo con ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), revelaron una gran cantidad de polvo y gas en estas primeras galaxias que alimentaron la rápida formación de estrellas. Estas observaciones de ALMA sugirieron que podría haber pocas sobras para alimentar a un agujero negro.

Para resolver este misterio, Farina y sus colegas utilizaron el instrumento MUSE, instalado en el Very Large Telescope (VLT) de ESO, en el desierto chileno de Atacama, para estudiar cuásares, objetos extremadamente brillantes alimentados por agujeros negros supermasivos que se encuentran en el centro de galaxias masivas. El trabajo se centró en el estudio de 31 cuásares, vistos como eran hace más de 12.500 millones de años, en un momento en que el universo todavía era un bebé y contaba con tan solo unos 870 millones de años de edad. Esta es una de los sondeos de cuásares más grandes realizado en esta etapa temprana de la historia del universo.

Los astrónomos descubrieron que 12 de los cuásares estudiados estaban rodeados por enormes acumulaciones de gas: halos de frío y denso gas de hidrógeno que se extienden 100.000 años luz desde los agujeros negros centrales y con miles de millones de veces la masa del Sol. El equipo, de Alemania, Estados Unidos, Italia y Chile, también descubrió que estos halos de gas estaban estrechamente unidos a las galaxias, proporcionando la fuente de alimento perfecta para mantener tanto el crecimiento de agujeros negros supermasivos como la intensa formación estelar.

El Explorador espectroscópico de unidades múltiples (MUSE) es un instrumento de segunda generación en desarrollo para el Very Large Telescope (VLT) de ESO, que comenzará a funcionar en 2012. MUSE es un espectrógrafo 3D extremadamente potente e innovador con un amplio campo de visión, proporcionando espectros simultáneos de numerosas regiones adyacentes en el cielo. El instrumento es alimentado por un nuevo sistema de óptica adaptativa de láser múltiple en el VLT. El desarrollo de MUSE ha sido una experiencia clave para los instrumentos de la próxima generación, tanto para el VLT como para el Telescopio extremadamente grande (ELT) planeado. El programa de instrumentación VLT es el más ambicioso jamás concebido para un solo observatorio. Crédito: ESO

La investigación fue posible gracias a la excelente sensibilidad de MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer, explorador espectroscópico multiunidad), instalado en el VLT de ESO, que, según Farina, fue un "cambio en las reglas del juego" en el estudio de los cuásares. “En cuestión de unas horas por objeto observado, pudimos adentrarnos en el entorno de los agujeros negros más masivos y voraces presentes en el joven universo”, añade. Mientras que los cuásares son brillantes, los reservorios de gas que hay a su alrededor son mucho más difíciles de observar. Pero MUSE puede detectar el débil resplandor del gas de hidrógeno en los halos, permitiendo a los astrónomos revelar finalmente los alijos de comida que potencian los agujeros negros supermasivos en el universo primitivo.

En el futuro, el ELT (Extremely Large Telescope) de ESO, ayudará a los científicos a revelar aún más detalles sobre galaxias y agujeros negros supermasivos en los primeros dos mil millones de años después del Big Bang. “Con el poder del ELT, podremos profundizar aún más en el universo primitivo para detectar muchas más nebulosas de gas”, concluye Farina.

Información adicional.

Este trabajo de investigación se presenta en un artículo científico que aparece en la revista The Astrophysical Journal.

El equipo está formado por Emanuele Paolo Farina (Instituto Max Planck de Astronomía [MPIA], Heidelberg, Alemania, e Instituto Max Planck de Astrofísica [MPA], Garching, cerca de Múnich, Alemania); Fabrizio Arrigoni-Battaia (MPA); Tiago Costa (MPA); Fabian Walter (MPIA); Joseph F. Hennawi (MPIA y Departamento de Física, Universidad de California, Santa Bárbara, EE.UU. [UCSB Physics]); Anna-Christina Eilers (MPIA); Alyssa B. Drake (MPIA); Roberto Decarli (Observatorio de Astrofísica y Ciencias Espaciales de Bolonia, Instituto Nacional de Astrofísica de Italia [INAF], Bolonia, Italia); Thales A. Gutcke (MPA); Chiara Mazzucchelli (Observatorio Europeo Austral, Vitacura, Chile); Marcel Neeleman (MPIA); Iskren Georgiev (MPIA); Eduardo Bañados (MPIA); Frederick B. Davies (UCSB Physics); Xiaohui Fan (Observatorio Steward, Universidad de Arizona, Tucson, EE.UU. [Steward]); Masafusa Onoue (MPIA); Jan-Torge Schindler (MPIA); Bram P. Venemans (MPIA); Feige Wang (UCSB Physics); Jinyi Yang (Steward); Sebastian Rabien (Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, Garching, cerca de Múnich, Alemania); y Lorenzo Busoni (INAF-Observatorio de Astrofísica de Arcetri, Florencia, Italia).

ESO es la principal organización astronómica intergubernamental de Europa y el observatorio astronómico más productivo del mundo. Cuenta con dieciséis países miembros: Alemania, Austria, Bélgica, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Irlanda, Italia, Países Bajos, Polonia, Portugal, Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza, junto con Chile, país anfitrión, y Australia como aliado estratégico. ESO desarrolla un ambicioso programa centrado en el diseño, construcción y operación de poderosas instalaciones de observación terrestres que permiten a los astrónomos hacer importantes descubrimientos científicos. ESO también desarrolla un importante papel al promover y organizar la cooperación en investigación astronómica. ESO opera en Chile tres instalaciones de observación únicas en el mundo: La Silla, Paranal y Chajnantor. En Paranal, ESO opera el Very Large Telescope junto con su interferómetro VLTI (Very Large Telescope Interferometer), el más avanzado del mundo, así como dos telescopios de rastreo: VISTA (siglas en inglés de Telescopio de Rastreo Óptico e Infrarrojo para Astronomía), que trabaja en el infrarrojo, y el VST (VLT Survey Telescope, Telescopio de Rastreo del VLT), que rastrea en luz visible. ESO también es socio de dos instalaciones en Chajnantor, APEX y ALMA, actualmente el mayor proyecto astronómico en funcionamiento del mundo. Finalmente, en Cerro Armazones, cerca de Paranal, ESO está construyendo el ELT (Extremely Large Telescope), de 39 metros, que llegará a ser “el ojo más grande del mundo para mirar el cielo”.

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• Publicado en ESO el 19 de diciembre del 2019, enlace publicación.

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