Nuevas pistas sobre cómo las galaxias se convierten en los misteriosos cuásares

Los astrónomos han descubierto pistas importantes sobre cómo crecen las galaxias excepcionalmente brillantes y cómo evolucionan hasta convertirse en los misteriosos cuásares, que emiten luz a través de la mayor parte del Universo observable.

Utilizando el Very Large Telescope y el radiotelescopio ALMA en Chile, un equipo de astrónomos, que incluía a investigadores del Instituto Niels Bohr (NBI), ha descubierto un enjambre de galaxias que orbitan los alrededores de una galaxia hiperluminosa y vigorosamente formadora de estrellas en el Universo primitivo.

La observación proporciona pistas importantes sobre cómo crecen las galaxias excepcionalmente brillantes, así como sobre cómo evolucionan hasta convertirse en cuásares energéticos, que emiten luz a través de la mayor parte del Universo observable.

Un tema fundamental en astronomía es la cuestión de cómo se forman, crecen y evolucionan las galaxias. Como parte de su evolución, la mayoría de las galaxias parecen albergar un agujero negro supermasivo en su centro.

Estos monstruos gravitacionales ocasionalmente tragan gas y estrellas cercanas, expulsando el exceso de energía en forma de poderosos chorros conocidos como cuásares, considerados uno de los fenómenos más misteriosos del universo.

Un cuásar puede entenderse como una galaxia recién nacida o como una fuente de energía presente en el agujero negro del centro de una galaxia recién nacida. Se caracteriza por ser una fuente astronómica de energía electromagnética, que incluye radiofrecuencias y luz visible. Pueden emitir hasta 100 veces más energía que toda la Vía Láctea.

De galaxia a cuásar

Aún se desconocen muchos detalles sobre cómo ocurre la transición de galaxias "normales" a cuásares. Pero en un nuevo estudio, un equipo de astrónomos dirigido por Michele Ginolfi en ESO, Garching (Baviera), puede haber estado un paso más cerca de comprender esta evolución.

"Antes de convertirse en un cuásar en toda regla, se cree que algunas galaxias pasan por una fase de estar muy polvorientas y activas, en términos de formación de estrellas, acumulando gas en sus agujeros negros supermasivos centrales ", explica Ginolfi.

Para profundizar sobre esta fase de transición, Ginolfi y sus colaboradores se centraron en una galaxia ya conocida, W0410-0913, una de las más brillantes, masivas y ricas en gas del Universo distante, vista como era hace 12.000 millones de años.

En este tipo de galaxias, el polvo es calentado por la energía de la luz de las estrellas y del agujero negro central, haciéndolo brillar a través del universo mediante su luz infrarroja. Esto ha llevado a que este tipo de galaxias se denominen galaxias oscurecidas por polvo caliente (hot, dust-obscured Galaxy). También son conocidas coloquialmente en término astronómicos como "perros calientes".

Galaxias en 3D

Debido a que la evolución de las galaxias está intrínsecamente conectada con su entorno, Ginolfi y su equipo decidieron observar W0410-0913 con el instrumento "MUSE" en el Very Large Telescope (VLT) en Chile.

Esta herramienta avanzada les permitió estudiar una región 40 veces más ancha que la propia galaxia e incluso medir sus posiciones 3D.

Peter Laursen, del Cosmic Dawn Center en Copenhague, que participó en el estudio, explica que W0410-0913 está rodeada por un enjambre de no menos de 24 galaxias más pequeñas.

Aunque esto implica que W0410-0913 reside en una región al menos diez veces más densa que el Universo promedio, esto no es del todo inesperado, ya que se cree que los “perros calientes” viven en entornos densos, señalan los investigadores.

Más gas y galaxias

Además, aunque W0410-0913 se ve en un momento en que el Universo solo tenía 1/8 de su edad actual, ya es diez veces más masiva que nuestra propia galaxia, la Vía Láctea.

Hacer crecer una galaxia tan grande en tan poco tiempo y alimentar un agujero negro supermasivo requiere un suministro sustancial de material fresco, destacan los investigadores.

Todo esto encaja bien con la imagen convencional de que las galaxias masivas crecen acumulando gas y galaxias satélite, atraídas desde el espacio intergaláctico por su inmensa gravedad.

De hecho, en un entorno tan denso, se espera que la tasa de interacción y fusión de galaxias sea muy alta.

Accidente automovilístico galáctico

Los astrónomos han pensado hasta ahora que W0410-0913 sería el resultado de una especie de “accidente automovilístico” galáctico, provocado por grupos de gas y estrellas que giraban caóticamente.

Sin embargo, al profundizar en observaciones antiguas obtenidas por las antenas de radio de ALMA, Ginolfi y sus colegas pudieron medir el movimiento interno del gas dentro de W0410-0913. Y aquí surgió una imagen muy diferente.

Sorprendentemente, las observaciones de ALMA revelaron que W0410-0913 no parece haber sido perturbado en absoluto por interacciones con galaxias compañeras.

Según las observaciones, este gas gira ordenadamente alrededor del agujero negro central de forma ordenada, pero increíblemente rápido, ¡con velocidades que alcanzan los 500 km/s!

Como un cristal

Combinando los resultados de dos telescopios muy diferentes, los astrónomos vieron una imagen de cómo pueden evolucionar las galaxias más masivas y polvorientas.

Este tipo de galaxias, una etapa vital en la transición de una galaxia polvorienta y formadora de estrellas a un cuásar, tiende a crecer en ambientes muy densos, dice Ginolfi.

Sin embargo, a pesar de la esperada fusión frecuente con otras galaxias, estas interacciones gravitatorias no son necesariamente destructivas: alimentan la galaxia central y hacen girar un poco el gas, pero lo dejan prácticamente intacto, como si fuera un vidrio: se puede rayar, pero no romperlo necesariamente, señalan los investigadores.

Las observaciones de Michele Ginolfi ofrecen nuevas primeras pistas sobre el proceso de múltiples escalas que impulsa la evolución de la población rara y extrema de galaxias oscurecidas por polvo caliente. Crecen en hábitats densos y especiales, pero la interacción con sus compañeros puede ser suave.

Referencia

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Detection of companion galaxies around hot dust-obscured hyper-luminous galaxy W0410-0913. M. Ginolfi et al. Nature Communications, volume 13, Article number: 4574 (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-022-32297-x