Utilizando el poder combinado del telescopio Subaru y el radiotelescopio ALMA, un equipo de científicas y científicos ha descubierto un sistema en el que dos galaxias distantes, ubicadas a 12.800 millones de años luz, están en el proceso de fusión. Estas galaxias, que albergan cuásares débiles en su centro, podrían ser los ancestros de los cuásares más luminosos y masivos del Universo primitivo, arrojando luz sobre los misteriosos procesos que desencadenan el crecimiento explosivo de los agujeros negros supermasivos.
Observaciones astronómicas realizadas hasta la fecha han descubierto varios agujeros negros supermasivos con masas que superan en miles de millones de veces la del Sol cuando el Universo primitivo tenía menos de mil millones de años. Estos objetos, conocidos como cuásares de alta luminosidad, brillan más que una galaxia entera cuando consumen grandes cantidades de materia interestelar. Las galaxias que albergan estos cuásares a menudo experimentan una explosión 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 los agujeros negros supermasivos y la actividad de estallidos estelares?
Una hipótesis principal es la fusión de galaxias ricas en gas. La comunidad científica cree 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, alimentando el crecimiento del agujero negro central. Para entender mejor la formación de galaxias y agujeros negros en el Universo primitivo, necesitamos investigaciones detalladas de los probables ancestros de los cuásares de alta luminosidad: galaxias y agujeros negros en la etapa previa a la fusión. Sin embargo, el estudio sobre estos ancestros ha estado estancado durante mucho tiempo porque no son cuásares brillantes y de alta luminosidad (antes de la fusión), lo que los hace extraordinariamente débiles y difíciles de detectar.
Para superar este desafío, un equipo de investigación dirigido por el profesor asociado Yoshiki Matsuoka de la Universidad de Ehime analizó datos de sondeos a gran escala tomados con la Hyper Suprime-Cam del telescopio Subaru, que cuenta con un amplio campo de visión. Al utilizar el alto poder de recolección de luz del telescopio Subaru, este sondeo es significativamente más sensible que otros sondeos a gran escala, lo que permite detectar objetos más débiles. Como resultado, el equipo descubrió un sistema con dos cuásares muy débiles (cerca de 10 a 100 veces más débiles que los cuásares de alta luminosidad de la misma era) uno al lado del otro.
Ubicado aproximadamente a 12.800 millones de años luz de distancia, lo que corresponde al “Amanecer Cósmico”, cuando el Universo tenía solo 900 millones de años, este es el registro más distante de “cuásares en pareja”. Debido a su debilidad, el equipo científico pensó que estos objetos estaban en la etapa de prefusión antes del rápido crecimiento de los agujeros negros supermasivos. Sin embargo, las observaciones con el telescopio Subaru solo pudieron proporcionar información sobre los agujeros negros supermasivos centrales, dejando sin respuesta si las galaxias anfitrionas estaban destinadas a fusionarse y eventualmente convertirse en cuásares de alta luminosidad.
Como siguiente paso, otro equipo dirigido por el profesor asociado Takuma Izumi del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) realizó observaciones de las galaxias anfitrionas de estos cuásares en pareja utilizando el radiotelescopio ALMA. Los resultados, obtenidos durante el Tiempo Discrecional del Director, fueron asombrosos. 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, están en camino de fusionarse en una sola galaxia prontamente.
Además, los cálculos a partir de los datos observacionales 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 cuásares de alta luminosidad, cuyos núcleos son extraordinariamente brillantes. Con esta enorme cantidad de material, la formación explosiva de estrellas posterior a la fusión y el abastecimiento de los agujeros negros supermasivos deberían desencadenarse y mantenerse fácilmente. Por lo tanto, estos hallazgos representan un logro significativo en la identificación de los ancestros de los cuásares de alta luminosidad (los objetos celestes más brillantes del universo primitivo) y de las galaxias con brotes de formación estelar 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, quien dirigió la investigación, expresa su entusiasmo: “Cuando observamos por primera vez la interacción entre estas dos galaxias, fue como ver un baile, con los agujeros negros en sus centros habiendo comenzado su crecimiento. Fue realmente hermoso”. También espera con interés las futuras investigaciones, y afirma: “Con la potencia combinada del telescopio Subaru y ALMA, hemos comenzado a revelar la naturaleza de los motores centrales (agujeros negros supermasivos), así como el gas de las galaxias anfitrionas. Sin embargo, las propiedades de las estrellas en las galaxias anfitrionas siguen siendo desconocidas. Utilizando el telescopio espacial James Webb, que está actualmente en funcionamiento, podríamos aprender sobre las propiedades estelares de estos objetos. Como se trata de los antepasados largamente buscados de los cuásares de alta luminosidad, que deberían servir como un valioso laboratorio cósmico, espero profundizar nuestra comprensión de su naturaleza y evolución a través de diversas observaciones en el futuro”.
