Descubierto el cuásar más antiguo y lejano

Ilustración de cuásar J0313-1806, con su agujero negro supermasivo central (aquí dibujado en blanco), el disco de acreción a su alrededor (anaranjado), el chorro de viento (azulado) saliendo a un 20 % de la velocidad de la luz y la galaxia anfitriona al fondo. / NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva

Un cuásar (acrónimo de fuente de radio CUASistelAR) es un núcleo galáctico extremadamente luminoso con un agujero negro supermasivo en su interior rodeado de un disco de acreción gaseoso. A medida que el gas cae hacia el agujero, se libera gran cantidad de energía en forma de radiación, observable en todo el espectro electromagnético.

El luminoso cuásar J0313-1806 está a unos 13.030 millones de años-luz de la Tierra y se formó solo 670 millones de años después del Big Bang, 20 millones de años antes que el récord establecido hasta ahora

Los cuásares se encuentran entre las fuentes más brillantes del cosmos, a menudo eclipsando a sus propias galaxias anfitrionas. Para calcular su distancia, los astrónomos se fijan en el llamado desplazamiento al rojo dentro del espectro, lo que permite mirar atrás en el tiempo para ver cuántos años después del Big Bang se formaron.

Hasta ahora el récord lo ostentaba el cuásar J1342 + 0928, con un corrimiento al rojo de 7,54, lo se corresponde a cuando el universo tenía 690 millones de años, pero ahora científicos de la Universidad de Arizona (EE UU) ha observado otro cuásar, llamado J0313-1806, que nació unos 20 millones de años antes, cuando el universo tenía casi un 5 % de su edad actual.

“El cuásar J0313-1806 tiene un corrimiento al rojo de 7,642, que corresponde a solo 670 millones de años después del Big Bang”, explica a Sinc el autor principal del estudio, Feige Wang, investigador en el Observatorio Steward de la Universidad de Arizona. Es, por tanto, el más antiguo conocido, y por extensión el más distante. Se sitúa a unos 13.030 millones de años-luz de la Tierra.

El equipo descubridor publicará sus hallazgos en el Astrophysical Journal Letters pero esta semana ya los ha presentado en la 237ª Reunión de la Sociedad Astronómica Americana, que en esta ocasión se celebra de forma virtual.

Un agujero negro que desafía las teorías

Además de ser el más lejano, Wang destaca los otros tres puntos clave de este cuásar: su agujero negro supermasivo (también el más antiguo o distante conocido), el chorro de ‘viento’ que emite y la alta tasa de formación de estrellas en su galaxia.

Dentro de este cuásar hay un agujero negro supermasivo, también el más antiguo o distante conocido, con un tamaño de 1.600 millones de masas solares

“Lo primero –aclara–, es que alberga un agujero negro supermasivo (SMBH en inglés) con un tamaño de 1.600 millones de masas solares, unas dos veces más masivo que J1342 + 0928. La existencia de este SMBH tan masivo requiere un agujero negro semilla con más de 10.000 masas solares, y esto desafía las teorías de la formación de estos objetos”, aunque su hallazgo ayuda a restringir las posibilidades contempladas hasta ahora.

Otro de los autores, el profesor Xiaohui Fan, explica: «Pensamos que existe un mecanismo que involucra enormes cantidades de gas de hidrógeno frío primordial colapsando directamente en el agujero negro semilla, que no requiere de estrellas completas como materia prima (como indicaban algunos modelos). Esto es lo único que permitiría que el agujero negro supermasivo del cuásar J0313-1806 crezca hasta los 1.600 millones de masas solares en un momento tan temprano del universo, y esto es lo que hace que el nuevo récord del cuásar sea tan valioso».

Viento a enormes velocidades

Un chorro de gas supercaliente y plasma en forma de viento sale de J0313-1806 a un quinto de la velocidad de la luz

«Otro punto clave es que tiene un chorro (de gas y plasma supercalientes) saliendo extremadamente rápido, emanando del cuásar en forma de un viento que viaja al 20 % de la velocidad de la luz, la primera evidencia de este ‘feedback’ en un cuásar en etapas tan tempranas del universo», apunta Wang.

Midiendo la luminosidad de J0313-1806, su equipo calculó que el gran agujero negro de su centro está ingiriendo el equivalente a unos 25 soles cada año, y esta sería la principal razón del viento de plasma caliente que sopla en la galaxia de su alrededor a una velocidad relativista. Por comparar, el agujero negro del centro de la Vía Láctea está casi inactivo.

Alta tasa de formación de estrellas

Por último, la galaxia que aloja el cuásar también tiene una característica relevante: está formando nuevas estrellas a un ritmo 200 veces superior al de nuestra Vía Láctea, mil veces menos luminosa y que genera aproximadamente una masa solar cada año.

«Esa tasa de formación estelar relativamente alta, similar a la observada en otros cuásares de edad similar, nos dice que la galaxia anfitriona está creciendo muy rápido», señala Wang.

La galaxia que aloja el cuásar está formando nuevas estrellas a un ritmo 200 veces superior al de nuestra Vía Láctea, mil veces menos luminosa

«Además, estos cuásares presumiblemente están todavía en el proceso de construcción de sus agujeros negros supermasivos», añade Fan. «Con el tiempo, el chorro de salida del cuásar se calienta y empuja todo el gas hacia fuera de la galaxia. Entonces el agujero negro ya no tiene nada con lo que seguir alimentándose y dejará de crecer. Esta es la evidencia de cómo crecen estas primeras galaxias masivas y sus cuásares».

Los investigadores esperan encontrar algunos cuásares más del mismo período de tiempo, incluyendo potenciales nuevos récords, adelanta el coautor Jinyi Yang, también del Observatorio Steward. Yang y Fan estaban observando en el telescopio terrestre Magellan Baade de 6,5 metros en el Observatorio de Las Campanas en Chile la noche en que se descubrió J0313-1806.

El equipo de astrónomos seguirá realizando nuevas observaciones y espera descubrir más secretos del nuevo cuásar con el futuro telescopio espacial James Webb de la NASA, cuyo lanzamiento está previsto a finales de este 2021.