El telescopio James Webb descifra los agujeros negros del universo temprano

Observaciones recientes realizadas por el Telescopio Espacial James Webb de dos cuásares del comienzo del universo revelan importantes conocimientos sobre la relación temprana entre los agujeros negros y sus galaxias, reflejando las proporciones de masa observadas en el universo más reciente.

Nuevas imágenes tomadas por el Telescopio Espacial James Webb (JWST) han revelado, por primera vez, la luz de las estrellas de dos galaxias masivas que albergan agujeros negros en crecimiento activo (quásares) vistas menos de mil millones de años después del Big Bang. Los agujeros negros tienen una masa aproximadamente mil millones de veces mayor que la del Sol, y las masas de sus galaxias anfitrionas son aproximadamente cien veces mayores, una proporción similar a la que se encuentra en el universo más joven. Según un estudio reciente de 2016, una poderosa combinación del estudio de campo amplio del Telescopio Subaru y la sonda espacial James Webb ha allanado una nueva forma de estudiar el universo distante. naturaleza.

Las observaciones de agujeros negros gigantes han atraído la atención de los astrónomos en los últimos años. El Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT) ha comenzado a obtener imágenes de la «sombra» de los agujeros negros en los centros de las galaxias. El Premio de Novela de Física 2020 se concedió por las observaciones del movimiento estelar en el corazón de una galaxia. vía Láctea. Si bien la existencia de estos agujeros negros gigantes está bien establecida, nadie conoce su origen.

Los astrónomos han informado de la existencia de agujeros negros con una masa de mil millones de masas solares durante los primeros mil millones de años del universo, entonces, ¿cómo pudieron estos agujeros negros llegar a ser tan grandes cuando el universo era tan joven? Aún más desconcertante es que las observaciones en el universo local muestran una relación clara entre la masa de los agujeros negros supermasivos y las galaxias más masivas en las que residen. Las galaxias y los agujeros negros tienen tamaños completamente diferentes, entonces, ¿qué apareció primero: los agujeros negros o las galaxias? Este es un problema del “huevo o la gallina” a nivel cósmico.

Imagen JWST NIRCam de 3,6 µm de HSC J2236+0032. La imagen en miniatura, la imagen del cuásar y la imagen de la galaxia anfitriona después de restar la luz del cuásar (de izquierda a derecha). La escala de la imagen se indica en años luz en cada panel. Crédito: Ding, Ono, Silverman et al.

Un equipo internacional de investigadores está dirigido por Masafusa Onui, becario Kavli de Astrofísica en el Instituto Kavli de Astronomía y Astrofísica (KIAA) de la Universidad de Pekín, y Shuheng Ding, investigador becario del Instituto Kavli de Física y Matemáticas Cósmicas (Kavli IPMU). ). ), y John Silverman, profesor de Kavli en IPMU, se propusieron responder a esta pregunta utilizando Telescopio espacial James Webb (JWST), un telescopio espacial de 6,5 metros desarrollado gracias a una colaboración internacional entre… NASAel Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Espacial Canadiense (CSA), y se lanzaron en diciembre de 2021.

Los cuásares son luminosos, mientras que sus galaxias anfitrionas son débiles, lo que ha dificultado a los investigadores detectar la tenue luz galáctica en el brillo de los cuásares, especialmente a largas distancias. «Encontrar las galaxias anfitrionas de quásares con corrimiento al rojo 6 es como tratar de detectar luciérnagas en un espectacular espectáculo de fuegos artificiales mientras se usan gafas empañadas. Las galaxias anfitrionas son increíblemente débiles y la resolución de la imagen era muy limitada, incluso con telescopio espacial Hubble“Lo que hace que revelar su belleza oculta sea un verdadero desafío”, afirma Xuheng Ding.

Concepto artístico del telescopio espacial James Webb de la NASA. Fuente de la imagen: NASA, ESA y Northrop Grumman

El equipo observó dos cuásares con el telescopio espacial James Webb, HSC J2236+0032 y HSC J2255+0251, con desplazamientos al rojo de 6,40 y 6,34 cuando el universo tenía unos 860 millones de años. Estos dos quásares fueron descubiertos originalmente mediante un estudio a gran escala del telescopio Subaru de 8,2 metros, con el que el equipo de investigación ha identificado más de 160 quásares hasta la fecha. Las luminosidades relativamente bajas de estos quásares los convierten en objetivos principales para medir las propiedades de su galaxia anfitriona, y el descubrimiento exitoso de los quásares representa la primera época hasta la fecha en la que se ha detectado luz estelar en un quásar.

Se capturaron imágenes de cuásares en longitudes de onda infrarrojas de 3,56 y 1,50 micrones utilizando el instrumento NIRCam de JWST, y las galaxias anfitrionas se hicieron evidentes después de un cuidadoso modelado y sustracción del brillo de los agujeros negros en acreción. La firma estelar de la galaxia anfitriona también se vio en el espectro capturado por el NIRSpec de J2236+0032 de JWST, lo que respalda el descubrimiento de la galaxia anfitriona. «He estado profundamente involucrado en el estudio de Subaru de quásares de alto corrimiento al rojo desde mis años de doctorado en el Observatorio Astronómico Nacional de Japón. Estoy extremadamente orgulloso de la detección exitosa de la luz de las estrellas de los quásares HSC que encontramos con Subaru», dice Masafusa Onoe.

El investigador del proyecto Kavli IPMU, Xuheng Ding, el profesor John Silverman y el becario de astrofísica Kavli del Instituto Kavli de Astronomía y Astrofísica (PKU-KIAA), Masafusa Onoue (desde la izquierda). Fuente: Kavli IPMU, Kavli IPMU, Masafusa Onoue

A través de observaciones, el equipo descubrió que… Agujero negro La masa de la galaxia anfitriona es similar a la observada en el universo más joven. El resultado sugiere que la relación entre los agujeros negros y sus anfitriones ya existía durante los primeros mil millones de años después de la explosión. la gran explosión. El equipo continuará este estudio con una muestra más grande de cuásares distantes, con el objetivo de limitar la historia de crecimiento coevolutivo de los agujeros negros y sus galaxias madre a lo largo del tiempo cósmico. Estas observaciones limitarán los modelos de coevolución de los agujeros negros y sus galaxias anfitrionas.

Lea más sobre este descubrimiento en Investigadores descubren galaxias anfitrionas de cuásares en el universo temprano.

Referencia: “Detección de luz estelar de galaxias anfitrionas de quásares con desplazamientos al rojo superiores a 6” por Shuheng Ding, Masafusa Onui, John D. Silverman, Yoshiki Matsuoka, Takuma Izumi, Michael A. Strauss, Knud Janke, Camryn L. Phillips, Junyao Li, Marta Voluntieri, Zoltan Heymann, Erham Tawfik Andika, Kentaro Aoki, Shunsuke Baba, Rebecca Perry, Sarah E. Bosman, Connor Bottrell, Anna-Kristina Ehlers, Seiji Fujimoto, Melanie Haposet, Masatoshi Imanishi, Kohei Inayoshi, Kazushi Iwasawa, Nobunari Kishikawa, Toshihiro. Kawaguchi, Kotaro Kohno, Shin-Hsiu Lee, Alessandro Lupi, Jianwei Liu, Toru Nagao, Roderick Overzer, Jan Törg Schindler, Malte Schramm, Kazuhiro Shimasako, Yoshiki Toba, Benny Trachtenbrot, Maxim Trebich, Tommaso Trieu, Hideki Umehata, Bram B. Vennemans, Marianne Vestergaard, Fabian Walter, Feig Wang y Jenny Yang, 28 de junio de 2023. naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-023-06345-5