JWST NIRCam Imagen HSC de 3,6 μm J2236+0032. Imagen alejada, imagen del cuásar e imagen de la galaxia anfitriona después de restar la luz del cuásar (de izquierda a derecha). La escala de la imagen en años luz se indica en cada panel. Fuente: Ding, Onoue, Silverman et al.
Nuevas imágenes del Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA han revelado por primera vez la luz estelar de dos galaxias masivas que albergan agujeros negros en crecimiento activo, cuásares, visibles menos de mil millones de años después del Big Bang. Un nuevo estudio en Naturaleza encuentra que los agujeros negros tienen masas cercanas a los mil millones de masas solares, y que las masas de sus galaxias anfitrionas son casi cien veces mayores, una proporción similar a la encontrada en el universo más nuevo. La poderosa combinación del Telescopio Subaru y JWST ha allanado una nueva forma de explorar el universo distante.
La existencia de agujeros negros tan masivos en el universo distante ha creado más preguntas que respuestas para los astrofísicos. ¿Cómo pudieron estos agujeros negros crecer tanto cuando el universo era tan joven? Aún más desconcertante es que las observaciones en el universo local muestran una clara relación entre la masa de los agujeros negros supermasivos y las galaxias mucho más grandes en las que residen. Las galaxias y los agujeros negros tienen tamaños completamente diferentes, entonces, ¿qué fue primero: los agujeros negros o las galaxias? Este es un problema del huevo o la gallina a escala cósmica.
Un equipo internacional de científicos dirigido por el investigador del proyecto del Instituto Kavli para la Física y las Matemáticas del Universo (Kavli IPMU) Xuheng Ding y el profesor John Silverman y la Universidad Kavli de Astronomía y Astrofísica (PKU-KIAA), el becario de astrofísica Kavli Masafusa Onoue, comenzaron a responder a esta pregunta. pregunta con JWST, lanzado en diciembre de 2021. Estudiar la relación entre las galaxias anfitrionas y los agujeros negros en el universo primitivo permite a los científicos observar su formación y ver cómo se relacionan entre sí.
Los cuásares son brillantes mientras que sus galaxias anfitrionas son tenues, lo que dificulta que los científicos detecten la débil luz de una galaxia en un resplandor de cuásar, especialmente a grandes distancias. Antes de JWST, el telescopio espacial Hubble podía detectar galaxias anfitrionas de cuásares brillantes cuando el universo tenía poco menos de 3 mil millones de años, pero no menos.
Telescopio espacial James Webb de la NASA. Crédito: NASA/Chris Gunn
La excelente sensibilidad de JWST y las imágenes infrarrojas ultranítidas finalmente permitieron a los científicos llevar esta investigación al momento en que se formaron los cuásares y las galaxias. Apenas unos meses después de que JWST comenzara a operar con regularidad, el equipo observó dos cuásares, 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 cuásares fueron descubiertos como parte del programa de exploración profunda del Telescopio Subaru de 8,2 metros en la cima de Maunakea en Hawái. La luminosidad relativamente baja de estos cuásares los ha convertido en objetivos principales para medir las propiedades de sus galaxias anfitrionas, y su detección exitosa marca la época más temprana en detectar la luz de las estrellas en un cuásar.
Se tomaron imágenes de los dos cuásares en longitudes de onda infrarrojas de 3,56 y 1,50 micras con el instrumento NIRCam de JWST, y las galaxias anfitrionas se hicieron visibles después de un cuidadoso modelado y sustracción del brillo de los agujeros negros en acreción. La firma estelar de la galaxia anfitriona también fue visible en el espectro tomado por NIRSPEC JWST para J2236+0032, lo que respalda aún más la detección de la galaxia anfitriona.
Los análisis de fotometría de la galaxia anfitriona mostraron que las dos galaxias anfitrionas del cuásar son masivas, midiendo 130 y 34 mil millones de masas solares respectivamente. La medición de la velocidad del gas turbulento cerca de los cuásares a partir de los espectros NIRSPEC sugiere que los agujeros negros que los alimentan también son masivos, midiendo entre 1,4 y 0,2 mil millones de masas solares. La relación entre la masa del agujero negro y la masa de la galaxia anfitriona es similar a la masa de las galaxias del pasado reciente, lo que sugiere que la relación entre los agujeros negros y sus anfitriones existía ya 860 millones de años después del Big Bang.
Ding, Silverman, Onoue y sus colaboradores continuarán su estudio con una muestra más grande, utilizando las observaciones del Ciclo 1 planificadas de JWST, que luego reducirán aún más los modelos de la coevolución de los agujeros negros y sus galaxias anfitrionas. El equipo se enteró recientemente de que se les ha otorgado tiempo adicional en el próximo ciclo JWST para estudiar la galaxia anfitriona de J2236+0032 con mucho más detalle.
Proporcionado por el Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo