Descubren antiguos cuásares que desafían la historia del universo

Los cuásares se encuentran entre los objetos más brillantes y poderosos del universo, impulsados por agujeros negros supermasivos que consumen material en los centros de las galaxias, generando tanta energía que pueden ser observados a través de miles de millones de años luz. Recientemente, un equipo internacional de investigadores identificó 31 de los cuásares más antiguos jamás descubiertos, incluyendo los dos ejemplos más tempranos conocidos. Estos extraordinarios objetos ya brillaban con la luz de aproximadamente un billón de soles cuando el universo contaba con tan solo 670 millones de años. La investigación, publicada en Astronomy & Astrophysics, ofrece una mirada sin precedentes a uno de los capítulos más tempranos de la historia cósmica.

"Estos objetos proporcionan las mejores pistas para entender cómo se forman los agujeros negros supermasivos", afirmó Joseph Hennawi, coautor y profesor de física con nombramientos conjuntos en la Universidad de California - Santa Bárbara y la Universidad de Leiden. "Estos monstruos, que pesan miles de millones de veces la masa de nuestro sol, ya existían cuando el universo estaba en su infancia. Aún no comprendemos cómo crecieron tanto, tan rápido".

La dificultad de encontrar cuásares antiguos

Durante décadas, los astrónomos han buscado los cuásares más antiguos del universo, ya que preservan información valiosa sobre cómo surgieron las primeras galaxias y agujeros negros supermasivos. Sin embargo, encontrarlos resulta excepcionalmente complicado. Los cuásares que se formaron menos de 770 millones de años después del Big Bang son extremadamente raros, dado que solo un número limitado de galaxias había crecido lo suficiente para albergarlos. Además, su luz tenue se confunde fácilmente con la de estrellas mucho más cercanas en nuestra propia galaxia.

Otro obstáculo proviene de la expansión del universo. A medida que el espacio se expande durante miles de millones de años, la luz de estos cuásares distantes se desplaza de la luz ultravioleta hacia el infrarrojo cercano. La atmósfera terrestre brilla naturalmente en estas longitudes de onda, dificultando la detección de objetos tan tenues por parte de telescopios en la superficie.

Los astrónomos utilizan este efecto, conocido como corrimiento al rojo, para estimar tanto la distancia como la edad. Cuanto mayor es el corrimiento al rojo, más lejos y más temprano en la historia cósmica aparece un objeto. "Un corrimiento al rojo de 7 nos lleva a cuando el universo tenía solo 750 millones de años, menos del 6% de su edad actual", explicó Hennawi.

"Estas dos condiciones hacen que encontrar cuásares a estas distancias sea increíblemente difícil", dijo Daming Yang, autor principal y estudiante de doctorado en el grupo de Hennawi en la Universidad de Leiden. "Por cada uno de ellos hay miles de estrellas en nuestra Vía Láctea y galaxias cercanas que lucen casi idénticas en las encuestas de imagen. Y dado que su luz se estira hacia el infrarrojo a tales distancias, necesitamos una encuesta que sea lo suficientemente amplia para capturar estos objetos raros y lo suficientemente profunda para detectar su luz tenue".

Dadas estas limitaciones, la búsqueda desde la superficie de la Tierra es casi imposible. La observación desde el espacio proporciona una vista mucho más clara.

El telescopio espacial Euclid encuentra 31 cuásares antiguos

La Agencia Espacial Europea lanzó el telescopio espacial Euclid en 2023 para investigar el universo durante esta era crucial. Operando por encima de la atmósfera terrestre, Euclid evita el resplandor infrarrojo que limita las observaciones en tierra mientras mapea enormes porciones del cielo con una profundidad notable.

Utilizando datos de la Encuesta Amplia de Euclid, los investigadores identificaron un total sin precedentes de 31 nuevos cuásares del universo temprano. Una vez completada, la encuesta mapeará más de un tercio de todo el cielo. Algunos de estos cuásares recién descubiertos datan de un tiempo en que el universo tenía apenas el 5% de su edad actual.

Hasta ahora, los astrónomos habían detectado principalmente los cuásares antiguos más brillantes y raros, dejando muy pocos ejemplos para estudiar la población temprana de cuásares en su totalidad.

"Euclid es un verdadero cambio de juego", afirmó Daming. "Antes, solo podíamos encontrar un puñado de los cuásares antiguos más brillantes, pero Euclid nos permite buscar de manera mucho más eficiente a través de grandes áreas del cielo para captar luz mucho más tenue. Es una herramienta única para la caza de cuásares".

Una ventana a los primeros mil millones de años del universo

Recientemente, los investigadores examinaron en mayor detalle el segundo cuásar más antiguo de la nueva colección. Descubrieron que reside dentro de una galaxia rica en gas y polvo que experimenta un intenso estallido de formación estelar, proporcionando nuevas pistas sobre los entornos donde crecieron los primeros agujeros negros supermasivos.

Estos cuásares recién descubiertos provienen de un período crítico conocido como la época de la reionización, cuando las primeras estrellas y galaxias transformaron el universo temprano ionizando el gas de hidrógeno neutro que una vez llenó el espacio. Esta era moldeó la evolución del cosmos que siguió.

Entre los 31 cuásares recién descubiertos, 14 tienen corrimientos al rojo de 7 o más. Los dos más antiguos tienen corrimientos al rojo de 7.69 y 7.77, lo que los convierte en los cuásares más tempranos jamás identificados. Ubicados a poco más de 13 mil millones de años luz de distancia, son observados tal como existieron dentro de los primeros 670 millones de años del universo. Además, superan el récord anterior establecido por el grupo de investigación de Hennawi en 2021.

"Cada paso hacia atrás en el tiempo hace que el rompecabezas sea más desconcertante: ¿cómo produjo el universo agujeros negros supermasivos tan rápido?", se preguntó Hennawi. "Estamos encontrando agujeros negros con cientos de millones de veces la masa de nuestro sol en un momento en que el universo apenas estaba comenzando".

Mirando aún más profundo en la historia cósmica

Los astrónomos han empujado constantemente más allá en la historia cósmica a través de una combinación de telescopios mejorados y técnicas de búsqueda más sofisticadas. Se necesitó más de una década para descubrir aproximadamente los primeros 10 cuásares con corrimientos al rojo de 7 o más. Euclid ya ha encontrado más que eso en un solo año, más que duplicando la población conocida de estos objetos extremadamente antiguos.

El aprendizaje automático también se ha convertido en una parte esencial de la búsqueda. Según Hennawi, los algoritmos avanzados ahora pueden examinar decenas de millones de fuentes astronómicas y separar los pocos cuásares genuinos del abrumador número de estrellas y galaxias que se parecen. El equipo de Hennawi pasó años desarrollando muchos de los algoritmos utilizados en estos descubrimientos. También lidera el desarrollo de PypeIt, el software que los astrónomos de toda la Universidad de California utilizan para procesar observaciones recopiladas por los telescopios Keck. A través del acceso de observación de la Universidad de California, Keck confirmó dos tercios de los cuásares recién descubiertos, incluidos los tres ejemplos más distantes.

Los investigadores ahora tienen como objetivo descubrir el primer cuásar conocido más allá de un corrimiento al rojo de 8, lo que revelaría un objeto que existió dentro de los primeros 630 millones de años del universo.

James Webb y ALMA estudiarán estos gigantes antiguos

Encontrar estos cuásares es solo el principio. El equipo ya ha asegurado tiempo de observación con el Telescopio Espacial James Webb para investigar muchos de ellos en detalle. Las futuras observaciones medirán las masas de sus agujeros negros, analizarán la química del gas circundante y utilizarán su luz para rastrear cómo se desarrolló la reionización en el joven universo.

Mientras tanto, el Atacama Large Millimeter Array estudiará el polvo, el gas y la formación estelar dentro de las galaxias que albergan estos cuásares antiguos, proporcionando una imagen aún más clara de cómo evolucionaron las primeras galaxias masivas. Hennawi afirmó: "La visión más amplia es unir todo esto en una línea de tiempo coherente: una crónica de cuásares del primer mil millones de años".

Daming Yang, Antoine Basset y Jean-Charles Cuillandre del Euclid Consortium contribuyeron a esta historia.

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