Observatorio Gemini y Subaru unen fuerzas para descubrir la primera pareja de cuásares en el principio del Universo

June 17, 2024

Observaciones del Telescopio de Gemini Norte fueron claves para descubrir la fusión de cuásares más distante, ocurrida apenas a 900 millones de años después del Big Bang

Observatorio Gemini y Subaru unen fuerzas para descubrir la primera pareja de cuásares en el principio del Universo

Un equipo de astrónomos descubrió una pareja de cuásares en fusión que bate todos los récords, ya que no sólo se trata de la más distante detectada hasta ahora, sino también del único par de este tipo que se encuentra en una de las épocas más tempranas del Universo. El hallazgo fue posible con la ayuda del poderoso instrumento GNIRS que se encuentra instalado en el telescopio de Gemini Norte, la mitad boreal del Observatorio Internacional Gemini, financiado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos y operado por NOIRLab de NSF.

Desde el instante posterior al Big Bang, el Universo se está expandiendo continuamente, lo que significa que en sus inicios el Universo era considerablemente más pequeño y las primeras galaxias tenían mayores probabilidades de interactuar y fusionarse. La fusión de galaxias promueve la formación de cuásares que consisten en núcleos galácticos extremadamente luminosos donde el gas y el polvo que caen en un agujero supermasivo central, emiten enormes cantidades de luz. Por ese motivo, al observar el Universo primitivo, los astrónomos esperaban encontrar muchos pares de cuásares muy próximos entre sí, a medida que sus galaxias anfitrionas se fusionaban. Sin embargo, se han sorprendido de no encontrar alguna, hasta ahora.

Con la ayuda del telescopio Gemini Norte, la mitad boreal del Observatorio Internacional Gemini, que es financiado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos y operado por NOIRLab de NSF, un equipo de astrónomos descubrió un par de cuásares en fusión apenas a 900 millones de años después del Big Bang. No sólo se trata de la pareja de cuásares fusionados más distante de la que se tenga registro, sino que también se trata de la primera pareja de su tipo confirmada en el período de la historia del Universo que se conoce como Amanecer Cósmico.

El Amanecer Cósmico abarcó desde los 50 millones de años hasta los mil millones de años después del Big Bang. Durante este período de tiempo comenzaron a surgir las primeras estrellas y galaxias, llenando con luz el Universo por primera vez. La llegada de las primeras estrellas y galaxias impulsó una nueva era en la formación del cosmos a la que se le conoce como la Época de Reionización.

La Época de Reionización, que ocurrió durante el Amanecer Cósmico, fue un período de transición cosmológica y un momento crítico en la historia del Universo que marcó el final de los tiempos de oscuridad cósmica y dio lugar a las grandes estructuras que vemos hoy en nuestro Universo local. Unos 400 millones de años después del Big Bang, la luz ultravioleta de las primeras estrellas, galaxias y cuásares se propagó por el cosmos, interactuando con el medio intergaláctico y despojando a los átomos de hidrógeno primordiales de sus electrones, en un proceso conocido como ionización.

Para comprender el papel exacto que jugaron los cuásares durante la Época de Reionización, los astrónomos buscan cuásares que se encuentren en esta época temprana y distante del Universo. Al respecto, el astrónomo de la Universidad Ehime Yoshiki Matsuoka, de Japón y autor principal del artículo científico que describe los resultados y que fue publicado en el Astrophysical Journal Letters, indicó que “Las propiedades estadísticas de los cuásares en la Época de Reionización nos dicen muchas cosas, tales como el progreso y el origen de la reionización, la formación de agujeros negros supermasivos durante el Amanecer Cósmico y la evolución más temprana de las galaxias que albergan cuásares”.

Unos 300 cuásares han sido descubiertos en la Época de Reionización, pero ninguno de ellos había sido encontrado en pareja, hasta que Matsuoka y su equipo revisaron las imágenes tomadas por la Hyper Suprime-Cam en el Telescopio Subaru y una tenue mancha roja llamara su atención: “Mientras revisaba imágenes de candidatos a cuásares, noté dos fuentes similares y extremadamente rojas una al lado de la otra. Este descubrimiento fue pura casualidad”, explicó Matsuoka.

El equipo no estaba seguro de que se tratara de una pareja de cuásares porque los candidatos a cuásares distantes están contaminados por numerosas fuentes anexas, tales como estrellas y galaxias en primer plano, además de los efectos de las lentes gravitatorias. Para confirmar la naturaleza de estos objetos el equipo realizó espectroscopía de seguimiento utilizando la Cámara y Espectrógrafo de Objetos Silenciosos (FOCAS) del Telescopio Subaru, y el Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano de Gemini (GNIRS), en Gemini Norte. Los espectros, que descomponen la luz emitida por una fuente en las longitudes de onda que la componen, fueron cruciales para caracterizar la naturaleza de la pareja de cuásares y sus galaxias anfitrionas.

“Lo que aprendimos de las observaciones de GNIRS fue que los cuásares son demasiado débiles para detectarlos en el infrarrojo cercano, incluso con uno de los mayores telescopios de la Tierra”, precisó Matsuoka. Esto permitió al equipo estimar que una porción de la luz detectada en las longitudes de onda ópticas no proviene de los mismos cuásares, sino de la formación estelar que tiene lugar en sus galaxias anfitrionas. El equipo también descubrió que ambos agujeros negros tienen una masa 100 millones de veces superior a la del Sol. Esto, unido a la presencia de un puente de gas que se extiende entre los dos cuásares, sugiere que éstos y sus galaxias anfitrionas están experimentando una fusión a gran escala [1].

“La existencia de cuásares en fusión en la Época de Reionización fue anticipada hace mucho tiempo y ahora se ha confirmado por primera vez”, declaró Matsuoka [2].

La Época de Reionización conecta la formación más temprana de la estructura cósmica con el complejo Universo que observamos miles de millones de años después. Al estudiar objetos distantes de este período, los astrónomos obtienen valiosos conocimientos sobre el proceso de reionización y la formación de los primeros objetos del Universo. El Observatorio Vera C. Rubin de NSF–DOE realizará más descubrimientos de este tipo a lo largo de una década gracias al Estudio del Espacio Tiempo como Legado para la Posteridad (LSST), que comenzará en 2025, y que está preparado para detectar millones de cuásares utilizando sus capacidades de imagen en profundidad.

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Esta investigación se presentó en un artículo de investigación titulado “Discovery of Merging Twin Quasars at z = 6.05” que fue publicado en el Astrophysical Journal Letters. DOI: 10.3847/2041-8213/ad35c7

El equipo de investigación estaba compuesto por Yoshiki Matsuoka (Ehime University, Japan), Takuma Izumi (National Astronomical Observatory of Japan, Tokyo), Masafusa Onoue (Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, Japan), Michael A. Strauss (Princeton University, USA), Kazushi Iwasawa (Universitat de Barcelona Spain), Nobunari Kashikawa (University of Tokyo, Japan), Masayuki Akiyama (Tohoku University, Japan), Kentaro Aoki (Subaru Telescope, National Astronomical Observatory of Japan, USA), Junya Arita (University of Tokyo, Japan), Masatoshi Imanishi (National Astronomical Observatory of Japan, Graduate University for Advanced Studies [SOKENDAI], Japan), Rikako Ishimoto (University of Tokyo, Japan), Toshihiro Kawaguchi (Onomichi City University, Japan), Kotaro Kohno (University of Tokyo, Japan), Chien-Hsiu Lee (W. M. Keck Observatory, USA), Tohru Nagao (Ehime University, Japan), John D. Silverman (Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, Japan), and Yoshiki Toba (Ehime University, Japan, National Astronomical Observatory of Japan, Tokyo, Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, Taiwan)

NOIRLab de NSF (Laboratorio Nacional de Investigación en Astronomía Óptica-Infrarroja de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos), el centro de EE.UU. para la astronomía óptica-infrarroja terrestre, opera el Observatorio Internacional Gemini (una instalación de NSF, NRC–Canada, ANID–Chile, MCTIC–Brasil, MINCyT–Argentina y KASI – República de Corea), el Observatorio Nacional Kitt Peak (KPNO), el Observatorio Cerro Tololo (CTIO), el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC) y el Observatorio Vera C. Rubin (operado en cooperación con el National Accelerator Laboratory (SLAC) del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). Está administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con NSF y tiene su sede central en Tucson, Arizona. La comunidad astronómica tiene el honor de tener la oportunidad de realizar investigaciones astronómicas en I’oligam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, en Maunakea, en Hawai‘i, y en Cerro Tololo y Cerro Pachón en Chile. Reconocemos y apreciamos el importante rol cultural y la veneración que estos sitios tienen para la Nación Tohono O’odham, para la comunidad nativa de Hawai‘i y para las comunidades locales en Chile, respectivamente.