Astrónomos descubren un titánico cuásar en el Universo primitivo


Un equipo internacional de astrónomos descubrió el segundo cuásar más distante que se haya encontrado en la historia de la cosmología.

Llamado Pōniuā`ena y designado como J100758.264 + 211529.207 (J1007 + 2115), el objeto astronómico está a una distancia de unos 13.1 mil millones de años luz, y contiene un enorme agujero negro con una masa equivalente a 1.5 mil millones de soles, aproximadamente el doble de masivo que el cuásar más distante conocido, ULAS J134208.10 + 092838.61.

La existencia de un agujero negro masivo a tan solo 700 millones de años después del Big Bang desafía significativamente los modelos del crecimiento de los primeros agujeros negros supermasivos en el Universo primitivo.

Los cuásares son fenómenos que se cree que surgen cuando un enorme agujero negro, situado en el núcleo de una galaxia, comienza a absorber toda la materia que encuentra en su cercanía. Cuando esto ocurre, por efecto de la enorme velocidad de rotación del disco de acreción formado, se produce una gigantesca cantidad de energía, liberada en forma de ondas de radio, luz, infrarrojo, ultravioleta y rayos X, lo que convierte a los cuásares en los objetos más brillantes del universo conocido.

Agujeros Negros
Dado el carácter extraño de los agujeros negros, se cuestionó durante mucho tiempo si tales objetos podrían existir realmente en la naturaleza o si eran simplemente soluciones patológicas a las ecuaciones de Einstein. El propio Einstein pensó erróneamente que los agujeros negros no se podrían formar, porque sostenía que el momento angular de las partículas colapsadas estabilizaría su movimiento.

Esto llevó a la comunidad de relatividad general a descartar todos los resultados por muchos años. Sin embargo, una minoría de relativistas continuó argumentando que los agujeros negros eran objetos físicos y, a fines de la década de 1960, habían persuadido a la mayoría de los investigadores de que no existe obstáculo para la formación de un horizonte de eventos.

Penrose demostró que, una vez que se forma un horizonte de eventos, la relatividad general sin mecánica cuántica requiere que se forme una singularidad en su interior. Poco después, Hawking demostró que muchas soluciones cosmológicas que describen el Big Bang tienen singularidades sin campos escalares u otra materia exótica. La solución de Kerr y las leyes de la termodinámica de los agujeros negros mostraron que las propiedades físicas de los agujeros negros eran simples y comprensibles. Los agujeros negros convencionales se forman por el colapso gravitacional de objetos pesados como las estrellas, pero en teoría también pueden formarse por otros procesos.

El nuevo descubrimiento
"Pōniuā`ena es el objeto astronómico más distante conocido en el Universo que alberga un agujero negro que supera los mil millones de masas solares", dijo el Dr. Jinyi Yang, investigador postdoctoral en el Observatorio Steward de la Universidad de Arizona.

"Para que un agujero negro de este tamaño se forme tan temprano en el Universo, necesitaría comenzar como una "semilla" de agujero negro de 10,000 masas solares, aproximadamente 100 millones de años después del Big Bang, en lugar de crecer a partir de un agujero negro mucho más pequeño formado por el colapso de una sola estrella".

La teoría actual sugiere que al comienzo del Universo después del Big Bang, los átomos estaban demasiado distantes entre sí para interactuar y formar estrellas y galaxias.

El nacimiento de las estrellas y galaxias, tal como las conocemos, ocurrió durante la Época de la Reionización, que comenzó unos 400 millones de años después del Big Bang.

El descubrimiento de cuásares como Pōniuāʻena, en lo profundo de la Época de la Reionización, es un gran paso hacia la comprensión de este proceso de reionización y la formación de los primeros agujeros negros supermasivos y galaxias masivas en el Universo primitivo.

La reionización es un proceso que ocurrió tras la época en que comenzó la formación de galaxias, y es la segunda mayor fase de cambio del hidrógeno en el universo. La primera es la recombinación, ocurrió con un desplazamiento al rojo (400 000 años tras el Big Bang), en el tiempo en que el enfriamiento debido a la expansión del universo lo condujo a una temperatura en que la tasa de recombinación del hidrógeno era mayor que la de ionización, permitiendo que los protones se recombinasen con electrones para formar átomos neutros. Se piensa que la reionización ocurrió cuando las primeras generaciones de estrellas de población III y cuásares emitieron radiación que reionizó el universo, volviendo a hacerlo un plasma ionizado; 150-1000 millones de años después del big bang.

"¿Cómo puede el Universo producir un agujero negro tan masivo, tan temprano en su historia?" se preguntó el profesor Xiaohui Fan, astrónomo de la Universidad de Arizona.

"Este descubrimiento presenta el mayor desafío para la teoría de la formación y el crecimiento del agujero negro en el Universo temprano".

"Pōniuā`ena actúa como un faro cósmico", dijo el profesor Joseph Hennawi, astrónomo de la Universidad de California en Santa Bárbara.

"A medida que su luz recorre el largo viaje hacia la Tierra, su espectro se ve alterado por el gas difuso en el medio intergaláctico, lo cual nos permitió determinar cuándo ocurrió la Época de Reionización".

Referencia del documento científico:
Jinyi Yang et al. 2020. Pōniuā`ena: A Luminous z=7.5 Quasar Hosting a 1.5 Billion Solar Mass Black Hole. ApJL, in press; arXiv: 2006.13452

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