Un telescopio de ESO detecta galaxias atrapadas en la red de un agujero negro supermasivo.

Con la ayuda del Very Large Telescope (VLT) de ESO, un equipo de astrónomos ha descubierto seis galaxias alrededor de un agujero negro supermasivo en una época en la que el universo tenía menos de mil millones de años. Es la primera vez que se detecta este tipo de agrupación tan apiñada en un momento tan cercano al Big Bang. El hallazgo nos ayuda a entender mejor cómo se formaron y crecieron de una forma tan rápida los agujeros negros supermasivos (uno de los cuales existe en el centro de nuestra Vía Láctea) hasta alcanzar sus inmensos tamaños actuales. Esto apoya la teoría de que los agujeros negros pueden crecer rápidamente dentro de grandes estructuras similares a una red que contengan grandes cantidades gas para alimentarlos.

Con la ayuda del Very Large Telescope (VLT) de ESO, un equipo de astrónomos ha descubierto seis galaxias alrededor de un agujero negro supermasivo, la primera vez que se detecta este tipo de agrupación tan apiñada en los primeros mil millones de años del universo. Esta reproducción artística muestra el agujero negro central y las galaxias atrapadas en su red de gas. El agujero negro, que junto con el disco que hay a su alrededor es conocido como cuásar SDSS J103027.09 +052455.0, brilla intensamente a medida que traga la materia que lo rodea. Crédito: ESO/L. Calçada.

"Esta investigación fue impulsada, principalmente, por el deseo de entender uno de los objetos astronómicos más desafiantes: los agujeros negros supermasivos en el universo primitivo. Son sistemas extremos y, hasta la fecha, no habíamos logrado una forma convincente de explicar su existencia”, afirma Marco Mignoli, astrónomo del Instituto Nacional de Astrofísica (INAF) en Bolonia (Italia) y autor principal de la nueva investigación publicada hoy en Astronomy & Astrophysics Letters.

Las nuevas observaciones, realizadas con el VLT de ESO, revelaron la presencia de varias galaxias alrededor de un agujero negro supermasivo, todas dentro de una "tela de araña" cósmica de gas que se extiende a más de 300 veces el tamaño de la Vía Láctea. “Los filamentos de esta red cósmica son como los hilos de una tela de araña”, explica Mignoli. “Las galaxias permanecen y crecen donde los filamentos se cruzan, y las corrientes de gas, disponibles para alimentar tanto a las galaxias como al agujero negro supermasivo central, pueden fluir a lo largo de los filamentos”.

La luz de esta gran estructura similar a una red, con su agujero negro de mil millones de masas solares, ha viajado hasta nosotros desde una época en la que el universo tenía sólo 900 millones de años. “Nuestro trabajo ha colocado una pieza importante en el rompecabezas, en gran parte incompleto, de la formación y el rápido crecimiento tras el Big Bang de objetos tan extremos, aunque relativamente abundantes", afirma el coautor Roberto Gilli, también astrónomo del INAF de Bolonia, refiriéndose a los agujeros negros supermasivos.

Esta foto muestra los instrumentos gemelos, FORS2 en KUEYEN (en primer plano) y FORS1 en ANTU, vistos al fondo a través de las puertas de ventilación abiertas en los dos gabinetes del telescopio. Aunque se parecen, los dos instrumentos tienen funciones específicas. Crédito: ESO.

Los primeros agujeros negros, que se cree que se formaron a partir del colapso de las primeras estrellas, deben haber crecido muy rápido para alcanzar masas de mil millones de soles dentro de los primeros 900 millones de años de vida del universo. Pero los astrónomos han tenido dificultades para explicar cómo podrían haber dispuesto de cantidades suficientemente grandes de "combustible de agujero negro" para permitir que crecieran a tamaños tan enormes en tan poco tiempo. La estructura recién encontrada ofrece una posible explicación: esta "tela de araña" y las galaxias que hay en su interior contienen suficiente gas como para proporcionar el combustible que el agujero negro central necesita para convertirse rápidamente en un gigante supermasivo.

Pero, ¿cómo se formaron antes estas estructuras tan grandes? Los astrónomos apoyan la idea de que la clave está en los halos gigantes de la misteriosa materia oscura. Se cree que, en el universo primitivo, estas grandes regiones de materia invisible atraen enormes cantidades de gas; juntos, el gas y la materia oscura invisible forman estas estructuras similares a redes donde las galaxias y los agujeros negros pueden evolucionar.

Para Colin Norman, de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore (EE.UU.) y también coautor del estudio, “Nuestro hallazgo apoya la idea de que los agujeros negros más distantes y masivos se forman y crecen dentro de enormes halos de materia oscura en estructuras a gran escala, y que la ausencia de detecciones anteriores de tales estructuras probablemente se debió a limitaciones observacionales”.

Una musa para el VLT. 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 próxima generación, tanto para el VLT como para el planeado Extremely Large Telescope (ELT). El programa de instrumentación del VLT es el más ambicioso jamás concebido para un solo observatorio. Crédito: ESO.

Las galaxias detectadas son algunas de las más débiles que pueden observar los telescopios actuales. El descubrimiento requirió de observaciones de varias horas de duración utilizando los telescopios ópticos más grandes disponibles, incluyendo el VLT de ESO. El equipo confirmó el vínculo entre cuatro de las seis galaxias y el agujero negro utilizando los instrumentos MUSE y FORS2, instalados en el VLT, en el Observatorio Paranal de ESO, en el desierto chileno de Atacama. “Creemos que acabamos de ver la punta del iceberg y que las pocas galaxias descubiertas hasta ahora alrededor de este agujero negro supermasivo son sólo las más brillantes”, destaca la coautora Barbara Balmaverde, astrónoma del INAF en Turín (Italia).

Estos resultados contribuyen a nuestra comprensión de cómo se formaron y evolucionaron los agujeros negros supermasivos y las grandes estructuras cósmicas. Utilizando sus potentes instrumentos, el telescopio ELT (Extremely Large Telescope) de ESO, actualmente en construcción en Chile, podrá observar gran cantidad galaxias mucho más débiles alrededor de enormes agujeros negros en el universo primitivo, haciendo así que esta investigación crezca y amplíe nuestros conocimientos sobre estos objetos.

Información adicional.

Este trabajo de investigación se ha presentado en el artículo científico “Web of the giant: Spectroscopic confirmation of a large-scale structure around the z = 6.31 quasar SDSS J1030+0524” y aparece publicado en la revista Astronomy & Astrophysics (doi: 10.1051/0004-6361/202039045).

El equipo está compuesto por M. Mignoli (INAF, Bolonia, Italia); R. Gilli (INAF, Bolonia, Italia); R. Decarli (INAF, Bolonia, Italia); E. Vanzella (INAF, Bolonia, Italia); B. Balmaverde (INAF, Pino Torinese, Italia); N. Cappelluti (Departamento de Física, Universidad de Miami, Florida, EE. UU.); L. Cassará (INAF, Milán, Italia); A. Comastri (INAF, Bolonia, Italia); F. Cusano (INAF, Bolonia, Italia); K. Iwasawa (ICCUB, Universidad de Barcelona e ICREA, Barcelona, España); S. Marchesi (INAF, Bolonia, Italia); I. Prandoni (INAF, Instituto de Radioastronomía, Bolonia, Italia); C. Vignali (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Estudios de Bolonia, Italia; e INAF, Bolonia, Italia); F. Vito (Escuela Normal Superior, Pisa, Italia); G. Zamorani (INAF, Bolonia, Italia); M. Chiaberge (Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, Maryland, EE. UU.); y C. Norman Maryland, (Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial & Universidad Johns Hopkins, Maryland, EE. UU.).

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”.

Vista panorámica del VLT. Esta vista del VLT, capturada por el dron del embajador fotográfico de ESO Gerhard Hüdepohl, muestra una vista panorámica del VLT, el instrumento óptico más avanzado del mundo y la instalación insignia para la astronomía terrestre europea. Crédito: G. Hüdepohl (atacamaphoto.com) / ESO.

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El nodo español de la red ESON está representado por J. Miguel Mas Hesse y Natalia Ruiz Zelmanovitch.

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• Publicado en ESO-España el 1 de octubre del 2020, enlace publicación.