Apr 6

NOIRLab: Descubren 2 pares de agujeros negros en lejanas galaxias fusionadas

One of the distant double quasars is depicted in this illustration.

Astronomos han descubierto dos pares de cuásares en el Universo distante, alrededor de 10 mil millones de años luz desde la Tierra. Crédito: Observatorio Internacional Gemini / NOIRLab / NSF / AURA / J. da Silva

Observaciones de seguimiento realizadas con Gemini Norte distinguieron con espectroscopía uno de estos pares de cuásares distantes, luego de ser descubiertos con el Telescopio Espacial Hubble y la nave espacial Gaia. Los cuásares están más cerca el uno del otro que cualquier otro par descubierto tan lejos en el Universo, entregando evidencia sólida de la existencia de pares de agujeros negros supermasivos, además de información crucial sobre la fusión de galaxias en el Universo temprano.

Los cuásares de cada uno de los pares están separados apenas por 10 mil años luz de distancia, lo que sugiere que pertenecen a dos galaxias en fusión [1], y actualmente los vemos tal como eran hace aproximadamente 10 mil millones de años [2]. Los cuásares dobles son muy interesantes para los científicos, pero son muy raros —particularmente en los confines más lejanos del Universo—, y estos cuásares son los más distantes encontrados tan cerca el uno del otro. 

Estimamos que en el Universo distante, por cada mil cuásares, hay uno que es doble. Así que encontrar estos cuásares dobles es como encontrar una aguja en un pajar” comentó Yue Shen, astrónomo en la  Universidad de Illinois y autor principal del artículo científico que anunció el descubrimiento.

Los cuásares son los núcleos muy brillantes de galaxias distantes, energizados por la frenética alimentación de los agujeros negros supermasivos [3]. Estos energéticos objetos afectan profundamente la formación y evolución de las galaxias, lo que convierte a las observaciones de pares de cuásares en el Universo temprano la única forma que tienen los astrónomos de investigar la evolución de las fusiones de galaxias. Los pares de cuásares también proveen un laboratorio natural para estudiar los procesos que conducen a la formación de agujeros negros supermasivos binarios.

Esta es realmente la primera muestra de cuásares duales en el punto más alto de la época de formación de galaxias que podemos usar para examinar nuestras ideas sobre cómo los agujeros negros supermasivos se unen para formar eventualmente uno binario”, explicó la científica del equipo Nadia Zakamska, de la Universidad Johns Hopkins.

Hallar estos dos pares de cuásares fue un desafío enorme, que requirió un método nuevo que combina datos de diversos telescopios espaciales y otros situados en tierra, incluyendo uno de los telescopios de Gemini, un Programa de NOIRLab de NSF. Los pares de cuásares ubicados a estas enormes distancias, sólo se pueden distinguir utilizando telescopios capaces de realizar observaciones detalladas, tales como Hubble o Gemini, lo que conlleva un gran desafío, puesto que  el tiempo de observación en estos telescopios es muy valioso para ser usado en sondear grandes áreas del cielo nocturno en busca de objetos astronómicos extraños.

Para focalizar su búsqueda, los investigadores primero identificaron 15 cuásares para una investigación más profunda utilizando el Sloan Digital Sky Survey, un mapa tridimensional de objetos en el cielo nocturno. Entonces, de esta lista de 15 cuásares, utilizaron observaciones de la nave espacial Gaia para identificar cuatro potenciales pares de cuásares [4]. Finalmente, estos candidatos fueron observados con el Telescopio Espacial Hubble, que distinguió visualmente dos pares de cuásares, otorgándole a este novedoso método una tasa de éxito del 50%.

Luego, el equipo de investigadores utilizó el Espectrógrafo Multi-Objeto de Gemini (GMOS por sus siglas en inglés) en Gemini Norte (ubicado en Maunakea, Hawai‘i) para verificar el descubrimiento e investigar a fondo uno de los pares de cuásares [5]. La sensibilidad de GMOS combinado con las excelentes condiciones de observación permitieron al equipo distinguir el espectro individual de ambos cuásares en el par [6]. Estos espectros proporcionaron al equipo mediciones independientes de la distancia a los cuásares y su composición, y confirmaron que eran de hecho un par de cuásares y no el alineamiento de un solo cuásar con una estrella en primer plano.

Las observaciones de Gemini fueron de vital importancia para nuestro éxito porque proporcionaron espectros espacialmente diferenciados para entregar confirmaciones de corrimiento al rojo y espectroscópicas simultáneas para ambos cuásares”, explicó Yu-Ching Chen, un estudiante de posgrado de la Universidad de Illinois que está en el equipo de descubridores. “Este método rechazó sin ambigüedades posibles intrusos, debido a superposiciones fortuitas como la de sistemas no asociados de cuásar y estrella”, puntualizó.

Si bien los miembros del equipo confían en su descubrimiento, existe una pequeña posibilidad de que hayan observado imágenes dobles de cuásares individuales. Estos “dobles fantasmagóricos” se pueden formar por lentes gravitacionales, que ocurren cuando una galaxia masiva intermedia distorsiona y divide la luz de un objeto distante, lo que a menudo resulta en imágenes múltiples de tal objeto. Sin embargo, los investigadores están convencidos que esto es altamente improbable, porque no pudieron detectar ninguna galaxia en primer plano en sus observaciones.

Con la demostración de su exitoso método, los investigadores ahora planean buscar otros pares de cuásares, construyendo un censo de cuásaes dobles en el Universo temprano.

Esta prueba de concepto, realmente demuestra que nuestra búsqueda específica de cuásares duales es muy eficiente”, destacó Hsiang-Chih Hwang, estudiante de posgrado de la Universidad John Hopkins e investigador principal de las observaciones de Hubble. “Esto abre una nueva dirección en la que podemos acumular un montón de sistemas para seguir, lo que anteriormente los astrónomos no eran capaces de lograr con las técnicas o los grupos de datos previos”.

Esta emocionante investigación ilustra una vez más el potencial de descubrimiento al combinar datos de estudios archivados con observaciones nuevas y focalizadas de instalaciones de vanguardia”, agregó Martin Still, Jefe de Programa de Gemini en NSF. “Los telescopios de Gemini demuestran ser los instrumentos ideales para confirmar la identidad de estos agujeros negros y caracterizar su entorno”, concluyó.

Astronomers have found two close pairs of quasars in the distant Universe. Follow-up observations with Gemini North spectroscopically resolved one of the distant quasar pairs, after their discovery with the Hubble Space Telescope and Gaia spacecraft. These quasars are closer together than any pair of quasars found so far away, providing strong evidence for the existence of supermassive black hole pairs as well as crucial insight into galaxy mergers in the early Universe.

The quasars in each of the two pairs are separated by just over 10,000 light-years, suggesting that they belong to two merging galaxies [1]. Double quasars are scientifically interesting but rare objects — particularly in the most distant reaches of the Universe — and these are the most distant quasars found that are so close together. We see these quasar pairs as they existed roughly 10 billion years ago [2]

We estimate that in the distant Universe, for every one thousand quasars, there is one double quasar. So finding these double quasars is like finding a needle in a haystack,” commented Yue Shen, an astronomer at the University of Illinois and lead author of the paper announcing this discovery.

Quasars are the intensely bright cores of distant galaxies, powered by the feeding frenzies of supermassive black holes [3]. These energetic objects profoundly affect galaxy formation and evolution, making observations of quasar pairs in the early Universe a unique way for astronomers to investigate the evolution of merging galaxies. Quasar pairs also provide a natural laboratory in which to study the processes leading to the formation of binary supermassive black holes.

This truly is the first sample of dual quasars at the peak epoch of galaxy formation that we can use to probe ideas about how supermassive black holes come together to eventually form a binary,” elaborated team member Nadia Zakamska of Johns Hopkins University.

Finding the two quasar pairs was a daunting challenge, requiring a new method that combined data from several space and ground-based telescopes, including the international Gemini Observatory, a Program of NSF’sNOIRLab. Quasar pairs at such large distances can only be resolved by sharp-eyed telescopes such as Hubble or Gemini, but observing time on these telescopes is too valuable to use it to sweep through large areas of the night sky in search of rare astronomical objects.

To focus their search, the researchers first identified 15 quasars for further investigation using the Sloan Digital Sky Survey, a three-dimensional map of objects in the night sky. From this list of 15 quasars, they then used observations from the Gaia spacecraft to identify four potential quasar pairs [4]. Finally, these candidates were imaged with the Hubble Space Telescope, which visually resolved two quasar pairs, giving this novel method a success rate of 50%.

The team then used the Gemini Multi-Object Spectrograph (GMOS) on Gemini North (located on Maunakea in Hawai‘i) to verify the discovery and further investigate one of the quasar pairs [5]. The combination of the sensitivity of GMOS and superb observing conditions allowed the team to resolve individual spectra from both quasars in the pair [6]. These spectra provided the team with independent measurements of the distance to the quasars and their composition, as well as confirming that the two quasars are indeed a pair rather than a chance alignment of a single quasar with a foreground star.

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