Descubiertos dos pares de agujeros negros en dos galaxias fusionadas

Ilustración artística de un cuásar doble en el Universo distante. Crédito: Observatorio Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva.

Los astrónomos descubrieron recientemente dos pares de cuásares cercanos entre sí, en el Universo distante. Observaciones de seguimiento realizadas con Gemini Norte distinguieron con espectroscopía uno de estos pares de cuásares distantes, luego de ser descubiertos con el Telescopio Espacial Hubble y la nave espacial Gaia. Los cuásares están más cerca el uno del otro que cualquier otro par descubierto tan lejos en el Universo, entregando evidencia sólida de la existencia de pares de agujeros negros supermasivos, además de información crucial sobre la fusión de galaxias en el Universo temprano.

Los cuásares de cada uno de los pares están separados apenas por 10 mil años luz de distancia, lo que sugiere que pertenecen a dos galaxias en fusión, y actualmente los vemos tal como eran hace aproximadamente 10 mil millones de años. Los cuásares dobles son muy interesantes para los científicos, pero son muy raros –particularmente en los confines más lejanos del Universo–, y estos cuásares son los más distantes encontrados tan cerca el uno del otro.

“Estimamos que en el Universo distante, por cada mil cuásares, hay uno que es doble. Así que encontrar estos cuásares dobles es como encontrar una aguja en un pajar”, comentó Yue Shen, astrónomo en la Universidad de Illinois y autor principal del artículo científico que anunció el descubrimiento.

Los cuásares son los núcleos muy brillantes de galaxias lejanas, energizados por la frenética alimentación de los agujeros negros supermasivos. Estos energéticos objetos afectan profundamente la formación y evolución de las galaxias, lo que convierte a las observaciones de pares de cuásares en el Universo temprano en la única forma que tienen los astrónomos de investigar la evolución de las fusiones de galaxias. Los pares de cuásares también proveen un laboratorio natural para estudiar los procesos que conducen a la formación de agujeros negros supermasivos binarios.

“Esta es realmente la primera muestra de cuásares duales en el punto más alto de la época de formación de galaxias que podemos usar para examinar nuestras ideas sobre cómo los agujeros negros supermasivos se unen para formar eventualmente uno binario”, explicó la científica del equipo Nadia Zakamska, de la Universidad Johns Hopkins.

Hallar estos dos pares de cuásares fue un desafío enorme, que requirió un método nuevo que combina datos de diversos telescopios espaciales y otros situados en tierra. Los pares de cuásares ubicados a estas enormes distancias, sólo se pueden distinguir utilizando telescopios capaces de realizar observaciones detalladas, tales como Hubble o Gemini, lo que conlleva un gran desafío, puesto que el tiempo de observación en estos telescopios es muy valioso para ser usado en sondear grandes áreas del cielo nocturno en busca de objetos astronómicos extraños.

Para focalizar su búsqueda, los investigadores primero identificaron 15 cuásares para una investigación más profunda utilizando el Sloan Digital Sky Survey, un mapa tridimensional de objetos en el cielo nocturno. Entonces, de esta lista de 15 cuásares, utilizaron observaciones de la nave espacial Gaia para identificar cuatro potenciales pares de cuásares. Finalmente, estos candidatos fueron observados con el Telescopio Espacial Hubble, que distinguió visualmente dos pares de cuásares, otorgándole a este novedoso método una tasa de éxito del 50%.

Luego, el equipo de investigadores utilizó el Espectrógrafo Multi-Objeto de Gemini (GMOS por sus siglas en inglés) en Gemini Norte (ubicado en Maunakea, Hawái) para verificar el descubrimiento e investigar a fondo uno de los pares de cuásares. La sensibilidad de GMOS combinado con las excelentes condiciones de observación permitieron al equipo distinguir el espectro individual de ambos cuásares en el par. Estos espectros proporcionaron al equipo mediciones independientes de la distancia a los cuásares y su composición, y confirmaron que eran de hecho un par de cuásares y no el alineamiento de un solo cuásar con una estrella en primer plano.

“Las observaciones de Gemini fueron de vital importancia para nuestro éxito porque proporcionaron espectros espacialmente diferenciados para entregar confirmaciones de corrimiento al rojo y espectroscópicas simultáneas para ambos cuásares”, explicó Yu-Ching Chen, un estudiante de posgrado de la Universidad de Illinois que está en el equipo de descubridores. “Este método rechazó sin ambigüedades posibles intrusos, debido a superposiciones fortuitas como la de sistemas no asociados de cuásar y estrella”, puntualizó.

Si bien los miembros del equipo confían en su descubrimiento, existe una pequeña posibilidad de que hayan observado imágenes dobles de cuásares individuales. Estos “dobles fantasmagóricos” se pueden formar por lentes gravitacionales, que ocurren cuando una galaxia masiva intermedia distorsiona y divide la luz de un objeto distante, lo que a menudo resulta en imágenes múltiples de tal objeto. Sin embargo, los investigadores están convencidos que esto es altamente improbable, porque no pudieron detectar ninguna galaxia en primer plano en sus observaciones.

Con la demostración de su exitoso método, los investigadores ahora planean buscar otros pares de cuásares, construyendo un censo de cuásaes dobles en el Universo temprano.

“Esta prueba de concepto, realmente demuestra que nuestra búsqueda específica de cuásares duales es muy eficiente”, destacó Hsiang-Chih Hwang, estudiante de posgrado de la Universidad John Hopkins e investigador principal de las observaciones de Hubble. “Esto abre una nueva dirección en la que podemos acumular un montón de sistemas para seguir, lo que anteriormente los astrónomos no eran capaces de lograr con las técnicas o los grupos de datos previos”.

“Esta emocionante investigación ilustra una vez más el potencial de descubrimiento al combinar datos de estudios archivados con observaciones nuevas y focalizadas de instalaciones de vanguardia”, agregó Martin Still, Jefe de Programa de Gemini. “Los telescopios de Gemini demuestran ser los instrumentos ideales para confirmar la identidad de estos agujeros negros y caracterizar su entorno”, concluyó.

El artículo “A hidden population of high-redshift double quasars unveiled by astrometry” fue publicado el 1 de abril de 2021 en Nature Astronomy.

Fuente: NOIRLab