El universo primitivo era un lugar bullicioso donde las galaxias a menudo chocaban entre sí e incluso se fusionaban. Usando el Telescopio Espacial Hubble de la NASA y otros observatorios espaciales y terrestres, los astrónomos que investigan estos desarrollos han hecho un descubrimiento inesperado y raro: un par de cuásares unidos gravitacionalmente, ambos resplandeciendo dentro de dos galaxias que se fusionan. Existían cuando el universo tenía solo 3 mil millones de años.
Los cuásares son objetos brillantes alimentados por agujeros negros voraces y supermasivos que lanzan feroces fuentes de energía a medida que se llenan de gas, polvo y cualquier otra cosa que esté a su alcance gravitacional.
«No vemos muchos cuásares dobles en esta época temprana del universo. Y es por eso que este descubrimiento es tan emocionante», dijo el estudiante graduado Yu-Ching Chen de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, autor principal de este estudiar.
Encontrar cuásares binarios cercanos es un área de investigación relativamente nueva que acaba de desarrollarse en los últimos 10 a 15 años. Los nuevos y poderosos observatorios de hoy han permitido a los astrónomos identificar casos en los que dos cuásares están activos al mismo tiempo y están lo suficientemente cerca como para fusionarse.
Cada vez hay más pruebas de que las grandes galaxias se forman a través de fusiones. Los sistemas más pequeños se unen para formar sistemas más grandes y estructuras cada vez más grandes. Durante ese proceso, deberían formarse pares de agujeros negros supermasivos dentro de las galaxias que se fusionan. «Conocer la población progenitora de los agujeros negros eventualmente nos informará sobre la aparición de agujeros negros supermasivos en el universo primitivo y cuán frecuentes podrían ser esas fusiones», dijo Chen.
«Estamos comenzando a revelar esta punta del iceberg de la población de cuásares binarios tempranos», dijo Xin Liu de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. «Esta es la singularidad de este estudio. En realidad, nos dice que esta población existe, y ahora tenemos un método para identificar cuásares dobles que están separados por menos del tamaño de una sola galaxia».
Esta fue una búsqueda de aguja en un pajar que requirió el poder combinado del Telescopio Espacial Hubble de la NASA y los Observatorios WM Keck en Hawai. Las observaciones de longitud de onda múltiple del Observatorio Internacional Gemini en Hawai, Karl G. Jansky Very Large Array de la NSF en Nuevo México y el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA también contribuyeron a comprender el dúo dinámico. Y, el observatorio espacial Gaia de la ESA (Agencia Espacial Europea) ayudó a identificar este cuásar doble en primer lugar.
«La sensibilidad y la resolución de Hubble proporcionaron imágenes que nos permiten descartar otras posibilidades de lo que estamos viendo», dijo Chen. Hubble muestra, de manera inequívoca, que se trata de un par genuino de agujeros negros supermasivos, en lugar de dos imágenes del mismo cuásar creadas por una lente gravitacional en primer plano. Y Hubble muestra una característica de marea de la fusión de dos galaxias, donde la gravedad distorsiona la forma de las galaxias formando dos colas de estrellas.
Sin embargo, la resolución nítida del Hubble por sí sola no es lo suficientemente buena para buscar estas balizas de luz dual. Los investigadores reclutaron a Gaia, que se lanzó en 2013, para identificar posibles candidatos a doble cuásar. Gaia mide las posiciones, distancias y movimientos de los objetos celestes cercanos con mucha precisión. Pero en una técnica novedosa, puede usarse para explorar el universo distante. La enorme base de datos de Gaia se puede utilizar para buscar cuásares que imiten el movimiento aparente de las estrellas cercanas. Los cuásares aparecen como objetos únicos en los datos de Gaia porque están muy cerca unos de otros. Sin embargo, Gaia puede captar una «sacudida» sutil e inesperada que imita un cambio aparente en la posición de algunos de los cuásares que observa.
En realidad, los quásares no se mueven por el espacio de forma mensurable. En cambio, su sacudida podría ser evidencia de fluctuaciones aleatorias de luz a medida que cada miembro del par de cuásares varía en brillo en escalas de tiempo de días a meses, dependiendo del horario de alimentación de su agujero negro. Este brillo alternativo entre el par de cuásares es similar a ver una señal de cruce de ferrocarril desde la distancia. A medida que las luces a ambos lados de la señal estacionaria parpadean alternativamente, la señal da la ilusión de «movimiento».
Otro desafío es que debido a que la gravedad deforma el espacio como un espejo de una casa de la risa, una galaxia en primer plano podría dividir la imagen de un quásar distante en dos, creando la ilusión de que en realidad era un par binario. El telescopio Keck se usó para asegurarse de que no haya una galaxia lente entre nosotros y el supuesto cuásar doble.
Debido a que el Hubble mira hacia el pasado lejano, este cuásar doble ya no existe. Durante los 10 mil millones de años intermedios, sus galaxias anfitrionas probablemente se han asentado en una galaxia elíptica gigante, como las que se ven en el universo local hoy. Y los cuásares se han fusionado para convertirse en un gigantesco agujero negro supermasivo en su centro. La galaxia elíptica gigante cercana, M87, tiene un monstruoso agujero negro que pesa 6.500 millones de veces la masa de nuestro Sol. Quizás este agujero negro surgió de una o más fusiones de galaxias en los últimos miles de millones de años.
El próximo telescopio espacial romano Nancy Grace de la NASA, que tiene la misma agudeza visual que el Hubble, es ideal para la caza de cuásares binarios. Hubble se ha utilizado para tomar minuciosamente datos de objetivos individuales. Pero la vista infrarroja de gran angular del universo de Roman es 200 veces más grande que la del Hubble. «Muchos cuásares podrían ser sistemas binarios. El telescopio romano puede hacer grandes mejoras en esta área de investigación», dijo Liu.