El Hubble observa cuásares dobles en galaxias fusionadas.

El telescopio espacial Hubble de la NASA está "viendo doble". Mirando hacia atrás a 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.

La concepción de este artista muestra la luz brillante de dos cuásares 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 encendiendo una tormenta de fuego de nacimiento de estrellas. Los quásares son balizas brillantes de luz intensa provenientes de los centros de galaxias distantes. Están alimentados por agujeros negros supermasivos que se alimentan vorazmente de materia que cae. Este frenesí de alimentación desata un torrente de radiación que puede eclipsar la luz colectiva de miles de millones de estrellas en 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 cuásares, 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)

Los investigadores creen que los cuásares están muy cerca unos de otros porque residen en los núcleos de dos galaxias fusionadas. El equipo ganó el "doble diario" al encontrar otro par de cuásares en otro dúo de galaxias en colisión.

Un quásar es un faro brillante de luz intensa procedente del centro de una galaxia distante que puede eclipsar a toda la galaxia. Está alimentado por un agujero negro supermasivo que se alimenta vorazmente de la materia que se infla, desatando un torrente de radiación.

"Estimamos que en el universo distante, por cada 1 000 cuásares, hay un doble cuásar. Así que encontrar estos dobles cuásares es como encontrar una aguja en un pajar", dijo el investigador principal Yue Shen de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

El descubrimiento de estos cuatro cuásares ofrece una nueva forma de sondear colisiones entre galaxias y la fusión de agujeros negros supermasivos en el universo temprano, dicen los investigadores.

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

"Esta es realmente la primera muestra de cuásares duales en la época máxima de formación de galaxias con la que podemos utilizar para sondear 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 resultados del equipo aparecieron en la edición en línea del 1 de abril de la revista Nature Astronomy, enlace artículo.

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

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

Doble cuásar Estas dos imágenes del telescopio espacial Hubble revelan dos pares de cuásares que existieron hace 10 mil millones de años y residen en el corazón de las galaxias fusionadas. Cada uno de los cuatro cuásares 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 sólo por unos 10.000 años luz, lo más cercano jamás visto en esta época cósmica. Los quásares son balizas brillantes de luz intensa de los centros de galaxias distantes que pueden eclipsar a todas sus galaxias. Están alimentados por agujeros negros supermasivos que se alimentan vorazmente de materia que cae, desatando un torrente de radiación. El par de cuásares de la imagen de la izquierda está catalogado como J0749 + 2255; el par de la derecha, como J0841 + 4825. Los dos pares de galaxias anfitrionas habitadas por cada doble cuásar eventualmente 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 para J0749 + 2255 se tomó el 5 de enero de 2020. La instantánea J0841 + 4825 se tomó el 30 de noviembre de 2019. Ambas imágenes se tomaron 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)

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 cuásares tienen un impacto profundo en la formación de galaxias en el universo", dijo Zakamska. "Encontrar cuásares duales en esta época temprana es importante porque ahora podemos probar nuestras ideas de larga data sobre cómo los agujeros negros y sus galaxias anfitrionas evolucionan juntos".

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

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

Los pares de galaxias anfitrionas eventualmente se fusionarán, y luego los quásares también se fusionarán, dando como resultado un solo agujero negro solitario 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 cuásares cercanos que están tan lejos de la Tierra. Sin embargo, la nítida resolución del Hubble por sí sola no es lo suficientemente buena para encontrar estas balizas de luz dual.

Los astrónomos primero necesitaban averiguar dónde apuntar al Hubble para estudiarlos. El desafío es que el cielo está cubierto con un tapiz de cuásares 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 analizó la encuesta de Sloan para identificar los cuásares para estudiarlos más de cerca.

El satélite Gaia de la ESA es un telescopio espacial diseñado para medir las posiciones de miles de millones de estrellas con una precisión sin precedentes. Gaia se lanzó el 19 de diciembre de 2013 y se encuentra en el punto Lagrange L2, la misma ubicación que tendrá el próximo Telescopio Espacial James Webb de NASA / ESA / CSA.

Luego, los investigadores reclutaron al observatorio Gaia para ayudar a identificar posibles candidatos de doble cuásar. 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 Gaia 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 puede percibir una "sacudida" sutil e inesperada en la posición aparente de algunos de los cuásares que observa.

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 cuásares 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 cuásares 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 cuásares. 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 potencias 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 cuásares dobles más cerca de la Tierra utilizando diferentes técnicas con telescopios terrestres. "La nueva técnica no solo puede descubrir cuásares duales mucho más lejos, sino que es mucho más eficiente que los métodos que hemos usado antes", dijo.

Su artículo de Nature Astronomy es una "prueba de concepto que realmente demuestra que nuestra búsqueda específica de cuásares 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 acumular 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 de seguimiento con los telescopios Gemini de la National Science Foundation NOIRLab. "La espectroscopia resuelta espacialmente de Gemini puede rechazar sin ambigüedad a los intrusos debido a superposiciones fortuitas de sistemas estrella-cuásar no asociados, donde la estrella en primer plano está alineada coincidentemente con el cuásar de fondo", dijo el miembro del equipo Yu-Ching Chen, estudiante de posgrado de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

Hubble en órbita libre. El telescopio espacial Hubble se aleja lentamente de Discovery después de su lanzamiento. La foto fue tomada durante la Misión de Servicio 2 en 1997. Crédito: ESA.

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 cuásar, 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 cuásar 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 cuásares.

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 alimentaría los agujeros negros supermasivos en el núcleo de cada galaxia, encendiéndolos como cuásares.

Los telescopios futuros 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.

Crédito: Ilustración del artista: NASA, ESA y J. Olmsted (STScI)

Ciencia: NASA, ESA, Y. Shen y X. Liu (Universidad de Illinois, Urbana-Champaign) y H.-C. Hwang y N. Zakamska (Universidad Johns Hopkins)

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Hsiang-Chih Hwang / Nadia Zakamska

Universidad Johns Hopkins, Baltimore, Maryland

hchwang@jhu.edu / zakamska@jhu.edu

ENLACES RELACIONADOS:

• Publicado en HubbleSite el 6 de abril del 2021, enlace publicación.

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