Los astrónomos descubren un raro par de cuásares listos para retumbar

Los astrónomos han descubierto un raro par de agujeros negros supermasivos, o cuásares, que se alimentan activamente, a punto de colisionar. Este sistema único, J0749+2255, se encontró en galaxias fusionadas cuando el universo tenía 3 mil millones de años. El descubrimiento proporciona información sobre la aparición de agujeros negros supermasivos y la frecuencia de las fusiones en el universo primitivo.

Los astrónomos han hecho un descubrimiento raro en el universo primitivo que involucra dos agujeros negros supermasivos, o cuásares, que se alimentan activamente, separados por solo 10,000 años luz, que están a punto de colisionar colosalmente.

Utilizando un conjunto de telescopios espaciales y terrestres, incluidos dos observatorios de Maunakea en Hawái, el Observatorio WM Keck y Gemini North, los investigadores han descubierto el par de agujeros negros incrustados en dos galaxias que se fusionaron cuando el universo n tenía solo 3 mil millones de años.

El estudio, dirigido por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, se publica en la edición del 5 de abril de 2023 de la revista Naturaleza.

Encontrar tal sistema es difícil debido al desafío de distinguir dos agujeros negros individualmente cuando están tan cerca el uno del otro. Pero en este sistema en particular, llamado J0749+2255, los dos agujeros negros estaban en un frenesí de alimentación, devorando gas y polvo que se estaban calentando a temperaturas tan altas que el dúo produjo un enorme espectáculo de fuegos artificiales. Esta actividad se llama cuásar, un fenómeno que ocurre cuando los agujeros negros emiten enormes cantidades de luz a través del espectro electromagnético mientras se dan un festín.

J0749+2255 es muy inusual porque el sistema no tiene uno, sino dos cuásares que están activos al mismo tiempo y están lo suficientemente cerca como para fusionarse.

“No vemos muchos cuásares dobles en esta etapa temprana del universo. Y es por eso que este descubrimiento es tan emocionante”, dijo el estudiante graduado Yu-Ching Chen de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, autor principal del estudio.

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Una fotografía tomada por el telescopio espacial Hubble de un par de cuásares que existían cuando el universo tenía solo 3 mil millones de años. Están incrustados dentro de un par de galaxias en colisión. Los cuásares están separados por menos del tamaño de una sola galaxia. Los cuásares están alimentados por agujeros negros voraces y supermasivos que lanzan feroces fuentes de energía a medida que se obstruyen con gas, polvo y cualquier cosa que se encuentre bajo su control gravitacional. Los agujeros negros eventualmente se fusionarán. Crédito: NASA, ESA, Yu-Ching Chen (UIUC), Hsiang-Chih Hwang (IAS), Nadia Zakamska (JHU), Yue Shen (UIUC)

El Observatorio Espacial Gaia de la ESA (Agencia Espacial Europea) detectó por primera vez el cuásar gemelo no resuelto, capturando imágenes que indican dos faros de luz estrechamente alineados en el universo joven. Chen y su equipo luego usaron[{» attribute=»»>NASA’s Hubble Space Telescope to verify the points of light were in fact coming from a pair of supermassive black holes.

Multi-wavelength observations followed; using Keck Observatory’s second generation Near-Infrared Camera (NIRC2) paired with its adaptive optics system, as well as Gemini North, NASA’s Chandra X-ray Observatory, and the Very Large Array network of radio telescopes in New Mexico, the researchers confirmed the double quasar was not two images of the same quasar created by gravitational lensing.

“The confirmation process wasn’t easy and we needed an array of telescopes covering the spectrum from X-rays to the radio to finally confirm that this system is indeed a pair of quasars, instead of, say, two images of a gravitationally lensed quasar,” said co-author Yue Shen, an astronomer at the University of Illinois.

Because telescopes peer into the distant past, this double quasar no longer exists. Over the intervening 10 billion years, their host galaxies have likely settled into a giant elliptical galaxy, like the ones seen in the local universe today. And the quasars have merged to become a gargantuan, supermassive black hole at its center.

The nearby giant elliptical galaxy, M87, has a monstrous black hole weighing 6.5 billion times the mass of our Sun. Perhaps this black hole grew from one or more galaxy mergers over the past billions of years.

There is increasing evidence that large galaxies are built up through mergers. Smaller systems come together to form bigger systems and ever-larger structures. During that process there should be pairs of supermassive black holes formed within the merging galaxies.

“Knowing about the progenitor population of black holes will eventually tell us about the emergence of supermassive black holes in the early universe, and how frequent those mergers could be,” said Chen.

“We’re starting to unveil this tip of the iceberg of the early binary quasar population,” said co-author Xin Liu of the University of Illinois at Urbana-Champaign. “This is the uniqueness of this study. It is actually telling us that this population exists, and now we have a method to identify double quasars that are separated by less than the size of a single galaxy.”

For more on this discovery, see Pair of Merging Galaxies Ignite Black Holes on a Collision Course.

Reference: “A close quasar pair in a disk–disk galaxy merger at z = 2.17” by Yu-Ching Chen, Xin Liu, Adi Foord, Yue Shen, Masamune Oguri, Nianyi Chen, Tiziana Di Matteo, Miguel Holgado, Hsiang-Chih Hwang and Nadia Zakamska, 5 April 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05766-6