Descobreixen 83 forats negres supermassius a l'Univers primigeni

Els forats negres supermassius es troben al centre de les galàxies. Encara que predominen a lʼUnivers actual, no se sap amb certesa quan es van formar ni quants nʼhi ha. Dʼentre aquests, els forats distants sʼidentifiquen com a quàsars, que brillen quan acumulen gas. Els estudis previs només havien examinat els quàsars més lluminosos —escassos en nombre—, i per tant, els forats negres més massius. La nova descoberta mostra una població de forats negres amb masses típiques dels forats negres comuns que sʼaprecien a lʼUnivers actual, i ajuda a explicar-ne els orígens.

Per escollir els quàsars candidats a estudi, un equip de recerca liderat per Yoshiki Matsuoka, de la Universitat dʼEhime (Japó), va fer servir dades obtingudes amb un instrument innovador, la càmera Hyper Suprime-Cam (HSC). Muntada en el telescopi Subaru de lʼObservatori Astronòmic Nacional del Japó, al cim del Mauna Kea (Hawaii), la càmera HSC és especialment potent perquè té un camp de visió de 1,77 graus quadrats (set vegades lʼàrea de la lluna plena). Lʼequip de la HSC va desenvolupar una anàlisi del cel amb les dades de tres-centes nits obtingudes pel telescopi al llarg de cinc anys. Lʼequip va seleccionar els quàsars candidats a partir dʼaquelles dades i la seva anàlisi ha portat a la troballa dels forats negres supermassius.

A més, els astrònoms han treballat en una campanya dʼobservació per obtenir variants dʼaquests candidats fent servir el telescopi Subaru, el Gran Telescopi de les Canàries (GTC) i el telescopi Gemini. Kazushi Iwasawa, expert de lʼInstitut de Ciències del Cosmos de la UB (ICCUB), ha estat lʼinvestigador principal de les observacions que sʼhan dut a terme amb el GTC en aquesta segona fase, en la qual es van descobrir prop dʼun terç de nous quàsars.

En lʼàrea estudiada, lʼestudi ha mostrat 83 quàsars que no es coneixen abans, i disset que ja eren coneguts. Els investigadors van trobar que, a cada cub de milers de milions dʼanys llum de costat, hi ha, aproximadament, un forat negre supermassiu.

Així mateix, també han descobert que els quàsars estan a uns 13.000 milions dʼanys llum de la Terra, és a dir, que els veiem tal com eren llavors. El temps que ha transcorregut des del Big Bang fins a aquesta època còsmica és només un 5 % del present còsmic (13.800 milions dʼanys), i és destacable el fet que aquests objectes tan densos es van poder formar molt ràpidament després del Big Bang. El quàsar més distant descobert en aquest treball és a 13.050 milions dʼanys llum, una distància similar a la del segon forat negre supermassiu més llunyà que sʼha descobert mai.

Dʼaltra banda, els resultats de la recerca impliquen un replantejament dʼhipòtesis sobre la reionització de lʼhidrogen al cosmos. Sʼha acceptat que lʼhidrogen va ser neutre a lʼUnivers, però es va reionitzar —es va dividir en protons i electrons— durant el període en què va aparèixer la primera generació dʼestrelles, galàxies i forats negres, i durant els primers cent milions anys després del Big Bang. Això és una fita en la història de la cosmologia, però encara no se sap què va proporcionar la gran quantitat dʼenergia necessària per generar la reionització. Una hipòtesi indica que hi havia molts més quàsars a lʼinici de lʼUnivers dels que sʼhan detectat, i que la seva radiació integrada va reionitzar lʼUnivers. Tanmateix, la densitat mesurada per lʼequip del HSC indica que no és el cas; el nombre de quàsars observats és molt menor del que es necessita per donar explicació a la reionització. Per tant, aquest fenomen hauria sorgit dʼalguna altra font dʼenergia, probablement de diverses galàxies que es van formar al cosmos.

Amb els resultats obtinguts fins ara, lʼequip preveu buscar més forats negres supermassius distants i poder revelar el període en què va aparèixer el primer forat negre supermassiu a lʼUnivers.   

Lʼequip de recerca, dirigit per Yoshiki Matsuoka, està format per 48 astrònoms dʼarreu del món. Cal esmentar, pel seu paper rellevant en les fases individuals del projecte, Nobunari Kashikawa (Universitat de Tòquio), Michael Strauss (Universitat de Princeton), Masafusa Onoue (Institut Max Planck dʼAstronomia), Kazushi Iwasawa (ICCUB) i Tomotsugu Goto (Universitat Nacional de Tsing Hua). Els resultats dʼaquesta recerca sʼhan publicat a les revistes Astrophysical Journal Letters, The Astrophysical Journal Supplement Series, Publications of the Astronomical Society of Japan i The Astrophysical Journal.


Referència dels articles
[1] Matsuoka et al. «Discovery of the first low-luminosity quasar at z > 7». The Astrophysical Journal Letters, 872 (2019), 2.
[2] Matsuoka et al. «Subaru high-z exploration of low-luminosity quasars (SHELLQs). V. Quasar luminosity function and contribution to cosmic reionization at z = 6», 2018, The Astrophysical Journal, 869 (2018), 150.
[3] Matsuoka et al. «Subaru high-z exploration of low-luminosity quasars (SHELLQs). IV. Discovery of 41 quasars and luminous galaxies at 5.7 ≤ z ≤ 6.9». The Astrophysical Journal Supplement Series, 237 (2018), 5.
[4] Matsuoka et al. «Subaru high-z exploration of low-luminosity quasars (SHELLQs). II. Discovery of 32 quasars and luminous galaxies at 5.7 < z ≤ 6.8». Publications of the Astronomical Society of Japan, 70 (2018), S35.
[5] Matsuoka et al. «Subaru high-z exploration of low-luminosity quasars (SHELLQs). I. Discovery of 15 quasars and bright galaxies at 5.7 < z < 6.9». The Astrophysical Journal, 828 (2016), 26.

Més informació