Gracias a las capacidades enormemente mejoradas de los telescopios de hoy, los astrónomos han estado investigando más profundamente en el cosmos y más atrás en el tiempo. Al hacerlo, han podido abordar algunos misterios de larga data sobre cómo evolucionó el Universo desde el Big Bang. Uno de estos misterios es cómo los agujeros negros supermasivos (SMBH), que juegan un papel crucial en la evolución de las galaxias, se formaron durante el Universo temprano.
Utilizando el Very Large Telescope (VLT) de ESO en Chile, un equipo internacional de astrónomos observó galaxias tal como aparecieron unos 1.500 millones de años después del Big Bang (hace unos 12.500 millones de años). Sorprendentemente, observaron grandes depósitos de gas de hidrógeno frío que podrían haber proporcionado una "fuente de alimento" suficiente para las SMBH. Estos resultados podrían explicar cómo las SMBH crecieron tan rápido durante el período conocido como el Amanecer Cósmico.
El equipo fue dirigido por el Dr. Emanuele Paolo Farina del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) y el Instituto Max Planck de Astrofísica (MPA). Se le unieron investigadores del MPIA y el MPA, el Observatorio Europeo Austral (ESO), la UC Santa Bárbara, el Observatorio Astrofísico Arcetri, el Observatorio de Astrofísica y Ciencias Espaciales de Bolonia y el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPEP).
Durante décadas, los astrónomos han estado estudiando SMBH, que existen en el núcleo de la mayoría de las galaxias y se identifican por sus núcleos galácticos activos (AGN). Estos núcleos, que también se conocen como cuásares, pueden emitir más energía y luz que el resto de las estrellas en la galaxia combinadas. Hasta la fecha, el más distante observado es ULAS J1342 + 0928, que se encuentra a 13.1 mil millones de años luz de distancia.
Dado que se estima que las primeras estrellas se formaron solo 100,000 años después del Big Bang (ca. 13.8 mil millones de años atrás), esto significa que los SMBH tuvieron que haberse formado rápidamente a partir de las primeras estrellas para morir. Hasta ahora, sin embargo, los astrónomos no habían encontrado polvo y gas en cantidades suficientemente altas durante el Universo temprano para explicar este rápido crecimiento.
Además, las observaciones previas realizadas con el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) revelaron que las primeras galaxias contenían mucho polvo y gas, lo que alimentó la rápida formación de estrellas. Estos hallazgos indicaron que no habría quedado mucho material para alimentar los agujeros negros, lo que solo profundizó el misterio de cómo ellos también crecieron tan rápidamente.
Para abordar esto, Farina y sus colegas se basaron en los datos recopilados por el instrumento Explorador Espectroscópico de Unidades Múltiples (MUSE) del VLT para examinar 31 cuásares a una distancia de alrededor de 12.500 millones de años luz (observando así su aspecto hace 12.500 millones de años). Esto hace que su encuesta sea una de las mayores muestras de cuásares de este período temprano del Universo. Lo que encontraron fueron 12 nubes de hidrógeno extendidas y sorprendentemente densas.
Estas nubes de hidrógeno se identificaron por su resplandor característico en la luz UV. Dada la distancia y el efecto del desplazamiento al rojo (donde la longitud de onda de la luz se estira debido a la expansión cósmica), los telescopios terrestres perciben el brillo como luz roja. Como Farina explicó en un comunicado de prensa de MPIA:
“La explicación más probable para el gas brillante es el mecanismo de fluorescencia.. El hidrógeno convierte la radiación rica en energía del cuásar en luz con una longitud de onda específica, que se nota por un destello.”
Las nubes de hidrógeno frío y denso, que eran varios miles de millones de veces la masa del Sol, formaron halos alrededor de las primeras galaxias que se extendieron durante 100,000 años luz desde los agujeros negros centrales. Ordinariamente, detectar tales nubes alrededor de los quásares (que son intensamente brillantes) es bastante difícil. Pero gracias a la sensibilidad del instrumento MUSE, que Farina describió como "un cambio de juego", el equipo los encontró bastante rápido.
Como dijo Alyssa Drake, investigadora del MPIA que también contribuyó al estudio:
“Con los estudios actuales, apenas estamos comenzando a investigar cómo los primeros agujeros negros supermasivos pudieron desarrollarse tan rápidamente.. Pero nuevos instrumentos como MUSE y el futuro telescopio espacial James Webb nos están ayudando a resolver estos emocionantes acertijos.”
El equipo descubrió que estos halos de gas estaban fuertemente unidos a las galaxias, proporcionando la "fuente de alimento" perfecta para sostener tanto la formación rápida de estrellas como el crecimiento de agujeros negros supermasivos. Estas observaciones resuelven efectivamente el misterio de cómo podrían existir agujeros negros supermasivos tan temprano en la historia del Universo. Como Farina lo resume:
“Ahora podemos demostrar, por primera vez, que las galaxias primordiales tienen suficiente comida en sus entornos para sostener tanto el crecimiento de agujeros negros supermasivos como la formación de estrellas vigorosas.. Esto agrega una pieza fundamental al rompecabezas que los astrónomos están construyendo para imaginar cómo se formaron las estructuras cósmicas hace más de 12 mil millones de años.”
En el futuro, los astrónomos tendrán instrumentos aún más sofisticados con los que estudiar galaxias y SMBH en el Universo temprano, que deberían revelar aún más detalles sobre las antiguas nubes de gas. Esto incluye el telescopio extremadamente grande (ELT) de ESO, así como telescopios espaciales como el telescopio espacial James Webb (JWST).
El estudio que describe los hallazgos del equipo apareció en la edición del 20 de diciembre de El diario astrofísico.
