Galaxias que danzan formaron un gigante en el amanecer cósmico

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Al utilizar la potencia combinada del Telescopio Subaru y el radiotelescopio ALMA, los astrónomos han descubierto un sistema en el que dos galaxias distantes, situadas a 12.800 millones de años luz de distancia, están en proceso de fusionarse. Estas galaxias, que albergan débiles quásares en sus centros, podrían ser los antepasados de los quásares más brillantes y masivos del Universo temprano, arrojando luz sobre los misteriosos procesos que desencadenan el crecimiento explosivo de agujeros negros supermasivos.

Las galaxias en interacción observadas por el radiotelescopio ALMA en el Amanecer Cósmico. Esta imagen muestra la distribución del gas de carbono ionizado, que refleja la distribución general y el movimiento de la materia interestelar. Se ve claramente que las dos galaxias interactúan y están conectadas por una estructura entre ellas. Las dos cruces de la imagen indican las posiciones de los quásares de baja luminosidad descubiertos por el Telescopio Subaru. Crédito: T.Izumi et al.

Las observaciones astronómicas realizadas hasta el momento han descubierto varios agujeros negros supermasivos con masas que superan mil millones de veces la del Sol en el Universo temprano, cuando tenía menos de mil millones de años. Estos objetos, conocidos como quásares de alta luminosidad, brillan más que una galaxia entera cuando consumen grandes cantidades de materia interestelar. Las galaxias que albergan estos quásares a menudo experimentan un estallido de formación estelar, produciendo cientos o miles de veces la masa de nuestro Sol en nuevas estrellas cada año. ¿Qué desencadena y sostiene un crecimiento tan rápido de agujeros negros supermasivos y actividad estelar?

Imagen del radiotelescopio ALMA, en San Pedro de Atacama. Imagen de Gi González Carrasco

Imagen del radiotelescopio ALMA, en San Pedro de Atacama, ChileGi González Carrasco en Unsplash

Una de las principales hipótesis son las fusiones de galaxias ricas en gas. Los científicos creen que cuando las galaxias ricas en gas se fusionan, parte del gas se comprime para formar una gran cantidad de estrellas, mientras que otra parte fluye hacia el centro de la galaxia, impulsando el crecimiento del agujero negro central. Para comprender mejor la formación de galaxias y agujeros negros en el Universo temprano, necesitamos investigaciones detalladas de los probables ancestros de los quásares de alta luminosidad: galaxias y agujeros negros en la etapa previa a la fusión. Sin embargo, la investigación sobre tales ancestros ha estado estancada durante mucho tiempo porque aún no son quásares brillantes y de alta luminosidad (antes de fusionarse), lo que los hace extraordinariamente débiles y difíciles de detectar.

Podemos ver la Hyper Suprime-Cam (HSC) y el espejo primario del Telescopio Subaru. También es visible lente corrector de campo amplio (WFC) de HSC. Crédito de la imagen: Kazuhito Dobashi/NAOJ)

Para superar este desafío, un equipo de investigación dirigido por el profesor asociado Yoshiki Matsuoka de la Universidad de Ehime analizó datos de estudios a gran escala tomados con la Hyper Suprime-Cam del Telescopio Subaru, que cuenta con un vasto campo de visión. Utilizando el alto poder de captación de luz del Telescopio Subaru, este estudio es significativamente más sensible que otros estudios a gran escala, lo que permite a los astrónomos detectar objetos más difusos. Como resultado, el equipo descubrió un sistema con dos quásares muy débiles (entre 10 y 100 veces más difusos que los quásares de alta luminosidad de la misma época) uno a la par del otro.

Ubicado aproximadamente a 12,8 mil millones de años luz de distancia, correspondiente a la era del ‘ Amanecer Cósmico’ cuando el Universo tenía sólo 900 millones de años, este es el registro más distante de este tipo de ‘pares de cuásares’. Debido a su debilidad, los científicos pensaron que estos objetos se encontraban en la etapa previa a la fusión antes del rápido crecimiento de los agujeros negros supermasivos. Sin embargo, las observaciones con el Telescopio Subaru sólo pudieron proporcionar información sobre los agujeros negros supermasivos centrales, dejando sin respuesta si las galaxias anfitrionas estaban destinadas a fusionarse y eventualmente convertirse en quásares de alta luminosidad.

La impresión artística de las galaxias en interacción se basa en los resultados de observación actuales. La ilustración muestra cómo la interacción entre las galaxias desencadena gradualmente la actividad de formación de estrellas y el crecimiento de agujeros negros supermasivos en sus centros. Crédito de la imagen: Radiotelescopio ALMA

En el siguiente paso, un equipo de investigación dirigido por el profesor asociado Takuma Izumi del Observatorio Astronómico Nacional de Japón realizó observaciones de las galaxias anfitrionas de estos pares de cuásares utilizando el radiotelescopio ALMA. Los resultados obtenidos fueron sorprendentes. La distribución de la materia interestelar observada (dos galaxias anfitrionas y la estructura que las une: Figura 1) y la naturaleza de su movimiento indicaron que estas galaxias estaban interactuando. Sin duda, en poco tiempo se fusionaron en una sola galaxia. Además, los cálculos a partir de los datos de observación revelaron que la masa total de gas en estas galaxias (alrededor de 100 mil millones de veces la masa del Sol) es comparable o incluso más significativa que las masas de gas de las galaxias anfitrionas de la mayoría de los quásares de alta luminosidad, cuyos núcleos son extraordinariamente brillantes. Con esta enorme cantidad de material, la formación de estrellas explosivas después de la fusión y la alimentación de agujeros negros supermasivos deberían desencadenarse y mantenerse fácilmente. Por lo tanto, estos hallazgos representan un logro significativo en la identificación de los antepasados de los quásares de alta luminosidad (los objetos celestes más brillantes del Universo temprano) y las galaxias con formación de estrellas desde múltiples perspectivas, incluida la estructura de las galaxias, el movimiento y la cantidad de materia interestelar.

Al comentar este descubrimiento, el profesor asociado Takuma Izumi, que dirigió la investigación, expresa su entusiasmo: ‘Cuando observamos por primera vez la interacción entre estas dos galaxias, fue como observar una danza, con los agujeros negros en sus centros habiendo comenzado su crecimiento. Fue realmente hermoso”. También esperaba con interés futuras investigaciones y afirmó: ‘Con la potencia combinada del Telescopio Subaru y ALMA, hemos comenzado a desvelar la naturaleza de los motores centrales (agujeros negros supermasivos), así como el gas de las galaxias anfitrionas. Sin embargo, las propiedades de las estrellas de las galaxias anfitrionas siguen siendo desconocidas. Utilizando el telescopio espacial James Webb, actualmente operativo, podríamos conocer las propiedades estelares de estos objetos. Dado que se trata de los ancestros largamente buscados de los quásares de alta luminosidad, que deberían servir como un precioso laboratorio cósmico, espero profundizar nuestra comprensión de su naturaleza y evolución a través de diversas observaciones en el futuro.’

Importante
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El paper “Merging Gas-rich Galaxies that Harbor Low-luminosity Twin Quasars at z = 6.05: A Promising Progenitor of the Most Luminous Quasars”, fue publicado en The Astrophysical Journal. Sus autores son: Takuma Izumi, Yoshiki Matsuoka, Masafusa Onoue, Michael A. Strauss, Hideki Umehata, John D. Silverman, Tohru Nagao, Masatoshi Imanishi, Kotaro Kohno, Yoshiki Toba, Kazushi Iwasawa, Kouichiro Nakanishi, Mahoshi Sawamura, Seiji Fujimoto, Satoshi Kikuta, Toshihiro Kawaguchi, Kentaro Aoki, and Tomotsugu Goto.

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