Utilizando el telescopio espacial James Webb (JWST), los astrónomos han observado la espectacular «danza» entre un agujero negro supermasivo y dos galaxias satélite. Las observaciones podrían ayudar a los científicos a entender mejor cómo crecieron las galaxias y los agujeros negros supermasivos en el universo primitivo.
Este particular agujero negro supermasivo Se alimenta de la materia circundante y alimenta un brillante quásar que es tan distante que el JWST lo ve como si hubiera sido menos de mil millones de años después del Big BangEl cuásar, designado PJ308-21, está localizado en un núcleo galáctico activo (AGN) en una galaxia que está en proceso de fusionarse con dos galaxias masivas galaxias satélite.
El equipo no sólo determinó que el agujero negro tiene una masa equivalente a dos mil millones de soles, pero también encontraron que tanto el cuásar como las galaxias involucradas en esta fusión están altamente evolucionadas, una sorpresa considerando que existían cuando el cosmos de 13,8 años era apenas un bebé.
Es probable que la fusión de estas tres galaxias Entregar al agujero negro supermasivo grandes cantidades de gas y polvo, que facilitarán su crecimiento y le permitirán seguir alimentando a PJ308-21.
«Nuestro estudio revela que ambos agujeros negros en el centro de alto corrimiento al rojo [early and distant] cuásares y las galaxias que las albergan experimentan un crecimiento extremadamente eficiente y tumultuoso ya en los primeros mil millones de años de historia cósmica, ayudadas por la rico entorno galáctico en el que se forman estas fuentes», dijo el líder del equipo Roberto Decarli, investigador del Instituto Nacional de Astrofísica de Italia (INAF), dijo en un comunicado.
Los datos fueron recopilados en septiembre de 2022 por JWSTEl instrumento Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano (NIRSpec) de la NASA como parte del Programa 1554, que tiene como objetivo observar la fusión entre la galaxia que alberga PJ308-21 y dos de sus galaxias satélite.
Decarli añadió que el trabajo representó una verdadera «montaña rusa emocional» para el equipo, que desarrolló soluciones innovadoras para superar las dificultades iniciales en la reducción de datos y producir imágenes con una incertidumbre de menos del 1% por píxel.
Cuásares Nacen cuando agujeros negros supermasivos con masas millones o miles de millones de veces la del Sol que se encuentran en el corazón de las galaxias están rodeados por una gran cantidad de gas y polvo. Esta materia forma una nube aplanada llamada disco de acreción que gira alrededor del agujero negro y lo alimenta gradualmente.
La inmensa fuerzas gravitacionales del agujero negro generan potentes fuerzas de marea En este disco de acreción, el gas y el polvo se calientan a temperaturas de hasta 120.000 grados Fahrenheit (67.000 grados Celsius). Esto hace que el disco de acreción emita luz a través de la atmósfera. espectro electromagnéticoEsta emisión a menudo puede ser más brillante que la luz combinada de todas las estrellas de la galaxia circundante, lo que convierte a los cuásares como PJ308-21 en algunos de los objetos más brillantes del cosmos.
Si bien los agujeros negros no tienen características que puedan usarse para determinar cuán evolucionados están, sus discos de acreción (y por lo tanto los cuásares) sí las tienen. De hecho, Las galaxias pueden «envejecerse» del mismo modo.
El universo primitivo estaba lleno de hidrógenoel elemento más ligero y simple, y un poco de helio. Éste formó la base de las primeras estrellas y galaxias, pero durante la vida de estos cuerpos estelares, se forjaron elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, que los astrónomos llaman «metales».
Cuando estas estrellas terminaron sus vidas en forma masiva supernova A través de las explosiones, estos metales se dispersaron por sus galaxias y pasaron a ser los bloques de construcción de la siguiente generación de estrellas. Este proceso hizo que las estrellas, y a través de ellas las galaxias, se volvieran progresivamente «rico en metales.»
El equipo descubrió que, como la mayoría AGNEl corazón activo de PJ308-21 es rico en metales, y el gas y el polvo que lo rodean están siendo «fotoionizados». Este es el proceso por el cual las partículas de luz, llamadas fotonesproporcionan la energía que los electrones necesitan para escapar de los átomos, creando iones cargados eléctricamente.
Una de las galaxias que se está fusionando con la galaxia anfitriona PJ308-21 también es rica en metales, y su materia también está siendo parcialmente fotoionizada por la radiación electromagnética del cuásar.
La fotoionización también está ocurriendo en la segunda galaxia satélite, pero en ese caso está siendo causada por un ataque de formación rápida de estrellasEsta segunda galaxia también se diferencia de la primera y del AGN, ya que parece ser pobre en metales.
«Gracias a NIRSpec, por primera vez, podemos estudiar, en el sistema PJ308-21, la banda óptica rica en valiosos datos de diagnóstico sobre las propiedades del gas cerca del agujero negro en la galaxia que alberga el cuásar y en las galaxias circundantes», afirma Federica Loiacono, astrofísica del INAF y miembro del equipo. «Podemos ver, por ejemplo, la emisión de átomos de hidrógeno y compararla con la de los elementos químicos producidos por las estrellas para establecer la riqueza del gas en metales».
Aunque la luz sale de este cuásar del universo temprano a través de todo el espectro electromagnético, incluida la luz óptica y los rayos X, la única forma de observarla es en infrarrojo.
Esto se debe a que, como la luz ha viajado durante más de 12 mil millones de años para llegar al JWST, la expansión del universo «Estiró» considerablemente sus longitudes de onda, lo que «desplaza» la luz en dirección al «extremo rojo» del espectro electromagnético, un fenómeno que comprensiblemente se denomina «corrimiento al rojo”, que los astrónomos denotan como “z”.
El JWST es experto en detectar objetos y eventos de «alto corrimiento al rojo» o «alto z» como PJ308-21 debido a su sensibilidad a la luz infrarroja.
«Gracias a Sensibilidad del JWST En el infrarrojo cercano y medio, fue posible estudiar el espectro del cuásar y las galaxias compañeras con una precisión sin precedentes. universo distante«, concluyó Loiacono. «Sólo la excelente 'visión' que ofrece el JWST es capaz de garantizar estas observaciones».
La investigación del equipo fue aceptada para su publicación en junio de 2024 en la revista Astronomía y Astrofísica.
