Forats negres supermassius: el Hubble revela les col·lisions de quàsars més llunyanes conegudes fins ara

Clic per engrandir. Recreació artística d'un parell de quàsars en col·lisió.
Crèdit: NASA, ESA i J.Olmsted (STScl)

Un equip d'astrònoms ha utilitzat diversos telescopis, inclòs el Hubble, per identificar metòdicament les fusions de galàxies cadascuna amb un quàsar. Aquest tipus d’estudi ajudarà els astrònoms a comprendre millor el paper de les fusions en el creixement de les galàxies i els seus forats negres supermassius. 

Han passat uns 60 anys des que vam descobrir els quàsars i molt ràpidament vam pensar que devien ser estrelles exòtiques que no podríem entendre sense les equacions de la teoria de la relativitat general. Una dècada després, va començar a prevaler la idea que havien de ser forats negres supermassius que acumulessin grans quantitats de matèria, cosa que ja va suggerir que moltes, per no dir totes les galàxies gegants, haurien de tenir aquest forat negre al cor.

L'augment de l'astronomia observacional i, sobretot, gràcies als observatoris principals de la NASA, que incloïen quatre telescopis a l'espai especialitzats en dades de bandes de longituds d'ona que s'han llançat als anys noranta principalment, han confirmat aquestes idees. Entre aquests telescopis hi ha per descomptat el Hubble, que observa a l'infraroig visible, ultraviolat i proper, i el Chandra, que observa el cosmos en el domini de raigs X (CGRO i Spitzer, respectivament, van explorar l'Univers en els dominis de raigs X, gamma i infraroig). 

Curiosament, s’ha establert en molts casos una relació de proporcionalitat entre la massa dels forats negres supermassius i la mida de les galàxies que els acullen. Per tant, això implicava que les galàxies i els forats negres supermassius creixien junts. Per tant, no podríem entendre l’evolució de les galàxies sense entendre el naixement i el creixement dels forats negres supermassius. Al mateix temps, vam començar a sospitar d'un vincle entre l'explosió de forats negres en mode quàsar i el fet que moltes galàxies estan, per dir-ho així "mortes", és a dir, que han perdut prematurament les seves reserves de gas, cosa que ha aturat en gran mesura la formació de noves estrelles. Potser aquest gas havia estat expulsat per l'explosió dels quàsars, i la pressió de la intensa radiació que produeixen.

Jean-Pierre Luminet, director de recerca del CNRS i Françoise Combes, professora
del Collège de France, ens parlen dels forats negres. Podeu triar l'idioma de
subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Fondation Hugot du Collège de France.

Quins mecanismes de creixement pels forats negres supermassius?

Tot i això, inicialment es va pensar que el creixement de forats negres supermassius i la ignició de quàsars es va produir a causa de les col·lisions seguides de la fusió entre galàxies i finalment dels forats negres gegants que contenien. De fet, el Hubble va mostrar diverses col·lisions galàctiques.

Però amb el pas dels anys, el paradigma ha canviat i, si aquest escenari encara és rellevant, no representa el procés dominant que ara implica sobretot corrents de matèria ordinària que serien canalitzats per filaments de matèria fosca freda. El fet és que encara hem d’especificar la part exacta dels dos escenaris. Per a això, hem de detectar col·lisions galàctiques en curs, o millor dit, les imatges de les quals ens apareixen avui a causa de la naturalesa finita de la velocitat de la llum, i intentar determinar el millor possible el nombre d’aquestes col·lisions a on veiem dos o fins i tot tres forats negres supermassius destinats a fusionar-se en un de sol. Podem detectar aquests esdeveniments còsmics i elaborar una estadística amb les ones gravitacionals que eLisa detectarà durant els anys 2030.

Mentrestant, com que els quàsars són particularment brillants, és més fàcil anar-los a buscar, i de fet durant anys hem observat forats negres supermassius binaris i fins i tot triples. 

Clic per engrandir. Aquestes dues imatges del telescopi espacial Hubble revelen dos
parells de quàsars que van existir fa 10 mil milions d’anys i que resideixen al
cor de les galàxies foses. Cadascun dels quatre quàsars resideix en una galàxia
hoste. Aquestes galàxies, però, no es poden veure perquè són massa febles fins i
tot per al Hubble. Els quàsars de cada parell només disten uns 10.000 anys llum,
els més propers mai vistos en aquesta era còsmica. El parell de quàsars de la
imatge de l’esquerra està catalogat com J0749+2255 i el parell de la dreta com
J0841+4825. Els dos parells de galàxies hostes habitades per cada doble quàsar
acabaran fusionant-se. Les dues imatges es van prendre amb llum visible. © NASA,
ESA, H. Hwang i N. Zakamska (Universitat Johns Hopkins), i Y. Shen
(Universitat d'Illinois, Urbana-Champaign).

Ara un equip d’investigadors anuncia que han desenvolupat una tècnica prometedora per buscar forats negres binaris supermassius i, per tant, inventariar-los. Combina les observacions del Hubble amb les del satèl·lit Gaia de la ESA i les dades recollides per la famosa campanya d’observació SDSS (Sloan Digital Sky Survey - Estudi Digital del Cel Sloan), també s’han mobilitzat altres instruments. Els resultats de l'equip van ser publicats en l'edició en línia del 1er d'abril a la revista Nature Astronomy.

Parelles de quàsars rars

Els quàsars eren molt més nombrosos fa més de 5.000 milions d’anys. S'estima que la seva població es trobava en el seu punt màxim fa uns 10.000 milions d'anys (per al registre, el cosmos observable té uns 13.800 milions d'anys). Per tant, el Hubble es va utilitzar per fer un zoom a dos parells de quàsars en ple funcionament en aquell moment. 

Avui s’estima que hi ha un quàsar doble per a prop de cada 1.000 quàsars individualitzats. Per tant, no va ser fàcil poder eliminar-los sistemàticament quan són laboratoris per entendre l’evolució de les galàxies. Ja en coneixíem uns cent parells, però cap era tan antic com els dos descobriments en què la formació de les galàxies i l’activitat dels quàsars estaven al màxim, fa uns 10.000 milions d’anys.

A les imatges preses pel Hubble, els quàsars estan separats com a màxim per 10.000 anys llum. Evidentment, vam haver d’intentar eliminar la hipòtesi, certament poc probable, però no tant, que no estem en presència d’una il·lusió òptica causada per un efecte de lent gravitacional que duplica la imatge d’un sol quàsar. 

Això va ser possible estudiant les fluctuacions de la brillantor dels dos quàsars de cada parell. Calia correlacionar-los d'alguna manera si es tractava d'un sol objecte cada vegada. Inicialment van ser les observacions d’aquestes fluctuacions pel satèl·lit de l’ESA, Gaia, les que van permetre concloure que almenys en el cas d’un dels parells de quàsars podríem descartar la hipòtesi d’un efecte de lent.

Recreació artística sobre les fluctuacions de la llum d’un parell de
quàsars. © Telescopi espacial Hubble

 

Ho he vist aquí.