El Observatorio Gemini se acerca al principio de los tiempos

Esta impresión artistica muestra cómo J043947.08 + 163415.7, un quásar muy lejano impulsado por un agujero negro supermasivo, puede verse de cerca. Este objeto es, con mucho, el quásar más brillante que se haya descubierto en el universo temprano. Crédito: ESA / Hubble, NASA, M. Kornmesser

Las observaciones del Observatorio Gemini identifican una huella dactilar clave de un quásar extremadamente distante, lo que permite a los astrónomos tomar muestras de la luz emitida desde los albores del tiempo. Los astrónomos descubrieron esta profundo mirada al espacio y al tiempo gracias a una galaxia de primer plano ordinaria que actuaba como una lente gravitatoria, que magnificaba la antigua luz del quásar. Las observaciones de Géminis proporcionan piezas críticas del rompecabezas para confirmar este objeto como el cuásar de apariencia más brillante tan temprano en la historia del Universo, lo que aumenta la esperanza de que se encuentren más fuentes como esta. 

Antes de que el cosmos alcanzara su billonésimo cumpleaños, parte de la primera luz cósmica comenzó un largo viaje a través del Universo en expansión. Un haz de luz en particular, proveniente de una fuente energética llamada quásar, pasó accidentalmente cerca de una galaxia intermedia, cuya gravedad se inclinó y magnificó la luz del quásar y la reenfocó en nuestra dirección, permitiendo que telescopios como el Gémini del Norte exploren el quasar con gran detalle. 

"Si no fuera por este telescopio cósmico improvisado, la luz del quásar parecería 50 veces más tenue", dijo Xiaohui Fan, de la Universidad de Arizona, quien dirigió el estudio. "Este descubrimiento demuestra que existen quásares con lentes gravitacionales a pesar del hecho de que hemos estado buscando durante más de 20 años y no hemos encontrado otros tan lejanos en el tiempo". 

Las observaciones de Gemini proporcionaron piezas clave del rompecabezas al rellenar un agujero crítico en los datos. El telescopio Gemini Norte en Maunakea, Hawai'i, utilizó el espectrógrafo del infrarrojo cercano de Gemini (GNIRS) para diseccionar una franja significativa de la parte infrarroja del espectro de la luz. Los datos de Gemini contenían la firma reveladora de magnesio, que es fundamental para determinar lo atrás en el tiempo que estamos mirando. Las observaciones de Géminis también condujeron a una determinación de la masa del agujero negro que alimenta el quásar. "Cuando combinamos los datos de Gemini con observaciones de múltiples observatorios en Maunakea, el Telescopio Espacial Hubble y otros observatorios de todo el mundo, pudimos trazar una imagen completa del cuásar y la galaxia intermedia", dijo Feige Wang, de la Universidad de california, santa bárbara, 

Se utilizaron varios telescopios grandes para observar el quásar J0439 + 1634 en la luz óptica e infrarroja. El telescopio MMT de 6,5 m se utilizó para descubrir este quásar distante. Él y el telescopio Keck-I de 10 m obtuvieron un espectro sensible del quásar en luz óptica. El telescopio Gemini de 8.2 m obtuvo un espectro infrarrojo que determinó con precisión la distancia del quásar y la masa de su poderoso agujero negro. El Telescopio Binocular Grande de 2x8.4m capturó una imagen corregida de óptica adaptativa que sugiere que el quásar tiene lentes, lo que luego se confirmó con la imagen del Hubble más nítida. Crédito: Feige Wang (UCSB), fan de Xiaohui (Universidad de Arizona) 

Esa imagen revela que el quásar está ubicado muy atrás en el tiempo y el espacio, poco después de lo que se conoce como la Época de Reionización, cuando la primera luz emergió del Big Bang. "Esta es una de las primeras fuentes en brillar cuando el Universo surgió de las edades oscuras cósmicas", dijo Jinyi Yang, de la Universidad de Arizona, otro miembro del equipo de descubrimiento. "Antes de esto, no se habían formado estrellas, quásares o galaxias, hasta que objetos como este aparecían como velas en la oscuridad". 

La galaxia de primer plano que mejora nuestra visión del quásar es especialmente tenue, lo cual es extremadamente fortuito. "Si esta galaxia fuera mucho más brillante, no hubiéramos podido diferenciarla del quásar", explicó Fan, y agregó que este hallazgo cambiará la forma en que los astrónomos buscarán cuásares con lentes en el futuro y podrían aumentar significativamente la cantidad de cuásares descubrimientos por lentes. Sin embargo, como Fan sugirió, "No esperamos encontrar muchos cuásares más brillantes que este en todo el Universo observable". 

La luz del quásar J0439 + 1634, a unos 12,8 mil millones de años luz, pasa cerca de una débil galaxia que está a unos seis mil millones de años luz. La gravedad de esta galaxia en primer plano deforma el espacio a su alrededor, de acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein. Esto dobla la luz como una lente óptica, amplía la imagen del quasar en un factor de cincuenta, mientras que al mismo tiempo divide la imagen del quasar en tres. Tanto la galaxia en primer plano como el quásar con imágenes múltiples se capturan mediante la imagen de alta resolución del Hubble SpaceTelescope. Los telescopios terrestres, como el MMT, Keck, Gemini, LBT y JCMT, se utilizan para observar este objeto en longitudes de onda ópticas, infrarrojas y submilimétricas para medir su distancia, y para caracterizar su agujero negro central y la galaxia anfitriona. Crédito: NASA, ESA, Fan Xiaohui (Universidad de Arizona) 

El brillo intenso del cuásar, conocido como J0439 + 1634 (J0439 + 1634 para abreviar), también sugiere que está alimentado por un agujero negro supermasivo en el corazón de una joven galaxia en formación. La amplia apariencia de la huella digital de magnesio capturada por Géminis también permitió a los astrónomos medir la masa del agujero negro supermasivo del cuásar en 700 millones de veces a la del Sol. El agujero negro supermasivo está probablemente rodeado por un disco aplanado de polvo y gas. Este toro de materia, conocido como disco de acreción, es muy probable que continúe girando hacia dentro para alimentar la central eléctrica del agujero negro. Las observaciones en longitudes de onda submilimétricas con el Telescopio James Clerk Maxwell en Maunakea sugieren que el agujero negro no solo está acumulando gas, sino que puede provocar el nacimiento de estrellas a una tasa prodigiosa, que parece ser de hasta 10.000 estrellas por año; En comparación, nuestra Vía Láctea Galaxy hace una estrella por año. Sin embargo, debido al aumento del efecto de las lentes gravitacionales, la velocidad real de formación de estrellas podría ser mucho menor. 

Los quásares son fuentes extremadamente energéticas alimentadas por enormes agujeros negros que se cree que residieron en las primeras galaxias que se formaron en el Universo. Debido a su brillo y distancia, los quásares proporcionan una visión única de las condiciones en el Universo temprano. Este quásar tiene un desplazamiento al rojo de 6,51, lo que se traduce en una distancia de 12,8 mil millones de años luz, y parece brillar con una luz combinada de unos 600 trillones de soles, impulsada por la ampliación de la lente gravitacional. La galaxia de primer plano que curvó la luz del quásar se encuentra aproximadamente a la mitad de esa distancia, a tan solo 6 mil millones de años luz de nosotros. 

Esta animación muestra cómo J043947.08 + 163415.7, un quásar muy lejano impulsado por un agujero negro supermasivo, puede verse de cerca. Este objeto es, con mucho, el quásar más brillante que se haya descubierto en el universo temprano. Crédito: ESA / Hubble, NASA, M. Kornmesser

El equipo de Fan seleccionó J0439 + 1634 como un candidato de quásar muy lejano basado en datos ópticos de varias fuentes: el “Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System1” o Telescopio de Inspección Panorámica y el Sistema de Respuesta Rápida1 (Pan-STARRS1; operado por el Instituto de Astronomía de la Universidad de Hawái), el telescopio de Infra-rojos del Reino Unido Hemisphere Survey (realizado en Maunakea, Hawái), y el archivo del telescopio espacial de exploración de infrarrojos de campo amplio de la NASA (WISE). 

Las primeras observaciones espectroscópicas de seguimiento, realizadas en el Telescopio Multi-Mirror en Arizona, confirmaron el objeto como un quásar de gran desplazamiento hacia el rojo. Las observaciones subsiguientes con los telescopios Gemini North y Keck I en Hawai confirmaron el hallazgo del MMT y llevaron a la detección de la huella dactilar crucial del magnesio, la clave para afinar la fantástica distancia del quásar. Sin embargo, la galaxia de lente de primer plano y el quásar aparecen tan cerca que es imposible separarlos con imágenes tomadas desde la superficie debido al desenfoque de la atmósfera terrestre. Tomó las imágenes exquisitamente nítidas del telescopio espacial Hubble para revelar que la imagen del quásar está dividida en tres componentes por una débil galaxia con lentes. 

El quásar está listo para un futuro escrutinio. Los astrónomos también planean usar el Gran Milímetro / submilimétrico de Atacama o ALMA y, finalmente, el Telescopio Espacial James Webb de la NASA, para mirar dentro de los 150 años luz del agujero negro y detectar directamente la influencia de la gravedad del agujero negro en el movimiento de gas y la formación de estrellas en su proximidad Cualquier descubrimiento futuro de quásares muy lejanos como J0439 + 1634 continuará enseñando a los astrónomos sobre el entorno químico y el crecimiento de agujeros negros masivos en nuestro universo temprano. 

Esta es una imagen del Telescopio Espacial Hubble de un quásar muy distante (a la derecha) que se iluminó y dividió en tres imágenes por los efectos del campo gravitacional de una galaxia en primer plano (izquierda). Las cruces marcan los centros de cada imagen del cuásar.

El quásar habría pasado desapercibido si no fuera por el poder de las lentes gravitacionales, que aumentaron su brillo en un factor de 50. El campo gravitacional de la galaxia en primer plano (visto a la izquierda) deforma el espacio como un espejo funhouse, amplificando la luz del quasar. Brillando con el brillo de 600 trillones de soles, el quásar está alimentado por un agujero negro supermasivo en el corazón de una joven galaxia en proceso de formación. La imagen muestra el quásar como se veía hace 12.800 millones de años, solo unos 1.000 millones de años después del Big Bang.

El cuásar aparece en rojo porque su luz azul ha sido absorbida por gas difuso en el espacio intergaláctico. En comparación, la galaxia de primer plano tiene una luz de estrella más azul.

El cuásar, catalogado como J043947.08 + 163415.7 (J0439 + 1634 para abreviar), podría mantener el registro de ser el más brillante en el universo temprano por algún tiempo, por lo que es un objeto único para estudios de seguimiento.

Crédito: NASA, ESA, Fan Xiaohui (Universidad de Arizona)

El quásar J0439 + 1634 (estrella roja) es el quásar más brillante conocido en el universo temprano, con una luminosidad aparente de 600 trillones de la del sol. Tales objetos proporcionan pruebas invaluables a las condiciones del universo menos de mil millones de años después del Big Bang en el principio del cosmos. Crédito: Feige Wang (UCSB), fan de Xiaohui (Universidad de Arizona)

Esta animación muestra cómo la masa de una galaxia está doblando la luz de un quásar mucho más distante a través de lentes gravitacionales. De esta manera, el quásar aparece tres veces más grande y 50 veces más brillante en el cielo nocturno. Crédito: Hubble / L. Calçada

El cuásar J0439 + 1634 se observó con el Telescopio Binocular Grande el 3 de marzo de 2018. Con la ayuda de su sistema de láser de haz de duelo, LBT usa una óptica adaptativa para superar el desenfoque de la atmósfera terrestre, produciendo una imagen nítida que sugiere que J0493 + 1634 es Lente de una galaxia de primer plano estrechamente alineada. La imagen captura una vista de la cámara del cielo del monte. Graham, con los láseres de LBT apuntando a la constelación de Tauro, donde se encuentra el quásar en el cielo. Crédito: LBT y Xiaohui Fan (Universidad de Arizona)

Fuente: AURA, Gemini Telescope,