En las últimas décadas, los astrónomos han podido mirar más lejos en el Universo (y también en el tiempo), casi hasta los inicios del Universo. Al hacerlo, han aprendido mucho sobre algunas de las primeras galaxias del Universo y su evolución posterior. Sin embargo, todavía hay algunas cosas que aún están fuera de los límites, como cuando aparecieron por primera vez galaxias con agujeros negros supermasivos (SMBH) y chorros masivos.
Según estudios recientes de la Escuela Internacional de Estudios Avanzados (SISSA) y un equipo de astrónomos de Japón y Taiwán proporcionan una nueva visión de cómo los agujeros negros supermasivos comenzaron a formarse solo 800 millones de años después del Big Bang, y los aviones relativistas menos de 2 mil millones de años. después. Estos resultados son parte de un caso creciente que muestra cómo se formaron objetos masivos en nuestro Universo antes de lo que pensábamos.
Los astrónomos han sabido sobre SMBH durante más de medio siglo. Con el tiempo, se dieron cuenta de que la mayoría de las galaxias masivas (incluida la Vía Láctea) las tienen en sus núcleos. El papel que desempeñan en la evolución de las galaxias también ha sido objeto de estudio, y los astrónomos modernos concluyen que están directamente relacionados con la tasa de formación de estrellas en las galaxias.
Del mismo modo, los astrónomos han descubierto que las SMBH tienen discos de acreción ajustados a su alrededor, donde el gas y el polvo se aceleran hasta alcanzar la velocidad de la luz. Esto hace que el centro de algunas galaxias se vuelva tan brillante, lo que se conoce como núcleos galácticos activos (AGN), que eclipsan a las estrellas en sus discos. En algunos casos, estos discos de acreción también conducen a chorros de material caliente que se pueden ver a miles de millones de años luz de distancia.
Según los modelos convencionales, las galaxias no tenían tiempo suficiente para desarrollar agujeros negros centrales cuando el Universo tenía menos de mil millones de años (hace unos 13 mil millones de años). Sin embargo, observaciones recientes han demostrado que los agujeros negros ya se estaban formando en el centro de las galaxias en ese momento. Al abordar esto, un equipo de científicos de SISSA propuso un nuevo modelo que ofrece una posible explicación.
Para su estudio, que fue dirigido por Lumen Boco, un Ph.D. estudiante del Instituto de Física Fundamental del Universo (IFPU), el equipo comenzó con el hecho bien conocido de que las SMBH crecen en las regiones centrales de las primeras galaxias. Estos objetos, los progenitores de las galaxias elípticas de hoy, tenían una concentración muy alta de gas y una tasa extremadamente intensa de formación de nuevas estrellas.
Las primeras generaciones de estrellas en estas galaxias fueron de corta duración y evolucionaron rápidamente en agujeros negros que eran relativamente pequeños, pero significativos en número. El denso gas que los rodeaba condujo a una fricción dinámica significativa y provocó que migraran rápidamente al centro de la galaxia. Aquí es donde se fusionaron para crear las semillas de agujeros negros supermasivos, que crecieron lentamente con el tiempo.
Como explicó el equipo de investigación en el reciente comunicado de prensa de SISS:
"Según las teorías clásicas, un agujero negro supermasivo crece en el centro de una galaxia capturando la materia circundante, principalmente gas," creciendo "sobre sí misma y finalmente devorándola a un ritmo que es proporcional a su masa. Por esta razón, durante las fases iniciales de su desarrollo, cuando la masa del agujero negro es pequeña, el crecimiento es muy lento. En la medida en que, según los cálculos, para alcanzar la masa observada, miles de millones de veces la del Sol, se requeriría un tiempo muy largo, incluso mayor que la edad del joven Universo ".
Sin embargo, el modelo matemático original que desarrollaron mostró que el proceso de formación de los agujeros negros centrales podría ser muy rápido en sus fases iniciales. Esto no solo ofrece una explicación de la existencia de semillas SMBH en el Universo temprano, sino que también concilia el momento de su crecimiento con la edad conocida del Universo.
En resumen, su estudio mostró que el proceso de migración y las fusiones de los primeros agujeros negros pueden conducir a la creación de una semilla SMBH de 10,000 a 100,000 masas solares en solo 50-100 millones de años. Como explicó el equipo:
“[El] crecimiento del agujero negro central de acuerdo con la acumulación directa de gas mencionada anteriormente, previsto por la teoría estándar, será muy rápido, porque la cantidad de gas que logrará atraer y absorber será inmensa y predominante en El proceso que proponemos. Sin embargo, precisamente el hecho de comenzar a partir de una semilla tan grande como la prevista por nuestro mecanismo acelera el crecimiento global del agujero negro supermasivo y permite su formación, también en el Universo Joven. En resumen, a la luz de esta teoría, podemos afirmar que 800 millones de años después del Big Bang, los agujeros negros supermasivos ya podrían poblar el Cosmos ".
Además de proponer un modelo de trabajo para semillas SMBH observadas, el equipo también sugirió un método para probarlo. Por un lado, están las ondas gravitacionales que causarían estas fusiones, que podrían identificarse utilizando detectores de ondas gravitacionales como Advanced LIGO / Virgo y caracterizadas por el futuro telescopio Einstein.
Además, las fases de desarrollo posteriores de SMBH es algo que podría ser investigado por misiones como la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) de la ESA, que se espera que se lance alrededor de 2034. En una línea similar, otro equipo de astrónomos recientemente utilizó el Atacama Gran matriz milimétrica / submilimétrica (ALMA) para abordar otro misterio sobre las galaxias, por lo que algunos tienen chorros y otros no.
Estas corrientes rápidas de materia ionizada, que viajan a velocidades relativistas (una fracción de la velocidad de la luz), se han observado que emanan del centro de algunas galaxias. Estos chorros se han relacionado con la tasa de formación estelar de una galaxia debido a la forma en que expulsan la materia que de otro modo colapsaría para formar nuevas estrellas. En otras palabras, estos aviones juegan un papel en la evolución de las galaxias, al igual que los SMBH.
Por esta razón, los astrónomos han tratado de aprender más sobre cómo los chorros de agujeros negros y las nubes gaseosas han interactuado con el tiempo. Desafortunadamente, ha sido difícil observar este tipo de interacciones durante el Universo temprano. Usando el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), un equipo de astrónomos logró obtener la primera imagen resuelta de nubes gaseosas perturbadas provenientes de un cuásar muy distante.
El estudio que describe sus hallazgos, dirigido por el profesor Kaiki Taro Inoue de la Universidad de Kindai, apareció recientemente en el Astrophysical Journal Letters. Como explicaron Inoue y sus colegas, los datos de ALMA revelaron aviones bipolares jóvenes que emanan de MG J0414 + 0534, un cuásar ubicado a unos 11 mil millones de años luz de la Tierra. Estos hallazgos muestran que las galaxias con SMBH y jets existían cuando el Big Bang tenía menos de 3 mil millones de años.
Además de ALMA, el equipo se basó en una técnica conocida como lente gravitacional, donde la gravedad de una galaxia que interviene aumenta la luz proveniente de un objeto distante. Gracias a este "telescopio cósmico" y la alta resolución de ALMA, el equipo pudo observar las nubes gaseosas perturbadas alrededor de MG J0414 + 0534 y determinar que fueron causadas por aviones jóvenes que emanan de un SMBH en el centro de la galaxia.
Como Kouichiro Nakanishi, profesor asociado del proyecto en el Observatorio Astronómico Nacional de Japón / SOKENDAI, explicó en un comunicado de prensa de ALMA:
“Combinando este telescopio cósmico y las observaciones de alta resolución de ALMA, obtuvimos una visión excepcionalmente nítida, que es 9,000 veces mejor que la vista humana. Con esta resolución extremadamente alta, pudimos obtener la distribución y el movimiento de las nubes gaseosas alrededor de los chorros expulsados de un agujero negro supermasivo ".
Estas observaciones también mostraron que el gas fue impactado donde siguió la dirección de los chorros, haciendo que las partículas se muevan violentamente y se aceleren a velocidades de hasta 600 km / s (370 mps). Además, estas nubes gaseosas impactadas y los chorros en sí eran mucho más pequeños que el tamaño de una galaxia típica a esta edad.
A partir de esto, el equipo concluyó que estaban presenciando una fase muy temprana de la evolución del jet en la galaxia MG J0414 + 0534. Si es cierto, estas observaciones permitieron al equipo presenciar un proceso evolutivo clave en las galaxias durante el Universo temprano. Como Inoue resumió:
“MG J0414 + 0534 es un excelente ejemplo debido a la juventud de los aviones. Encontramos evidencia reveladora de interacción significativa entre chorros y nubes gaseosas, incluso en la fase evolutiva muy temprana de los chorros. Creo que nuestro descubrimiento allanará el camino para una mejor comprensión del proceso evolutivo de las galaxias en el Universo temprano ".
Juntos, estos estudios demuestran que dos de los fenómenos astronómicos más poderosos del Universo surgieron antes de lo esperado. Este descubrimiento también brinda a los astrónomos la oportunidad de explorar cómo evolucionaron estos fenómenos con el tiempo y el papel que desempeñaron en la evolución del Universo.
