Euclid encontró en un año más cuásares del universo primitivo que una década de búsquedas

Durante la última década, confirmar un solo cuásar impulsado por un agujero negro que ya pesaba mil millones de masas solares cuando el universo tenía menos de mil millones de años requería un esfuerzo coordinado entre múltiples telescopios y meses de espectroscopia de seguimiento. El resultado acumulado de esos esfuerzos rondaba aproximadamente una decena de objetos confirmados. En su primer año de operaciones científicas, Euclid confirmó doce.

Esa cifra es el resultado central de un artículo del estudiante de doctorado de la Universidad de Leiden, Daming Yang, y sus colegas, publicado en Astronomy & Astrophysics como parte de un número especial de 41 artículos basados en el primer cuarto de datos del cielo de Euclid. El catálogo completo contiene 31 cuásares previamente desconocidos de la época más temprana del universo — fuentes de luz ancestrales, cada una ardiendo con la producción de aproximadamente un billón de soles, impulsadas por agujeros negros supermasivos ya presentes cuando el cosmos era una fracción de su edad actual.

Los dos objetos más distantes del catálogo, designados EUCL J172902.75+641018.1 y EUCL J125308.55+705432.3, tienen corrimientos al rojo de 7.77 y 7.69, situándolos entre los objetos más distantes resueltos individualmente en cualquier estudio. Su luz partió cuando el universo tenía aproximadamente 670 millones de años.

Cómo identifica Euclid objetos que parecen estrellas comunes

Detectar cuásares antiguos es un problema de buscar una aguja en un pajar. A distancias extremas, la emisión ultravioleta de un cuásar ha sido estirada por la expansión del universo hacia el infrarrojo cercano, un desplazamiento que sitúa sus líneas espectrales características en longitudes de onda que la mayoría de los instrumentos terrestres apenas logran alcanzar de manera eficiente. En términos más prácticos, su apariencia tenue y rojiza hace que estos objetos sean casi indistinguibles de las estrellas enanas M, mucho más cercanas y numerosas, en imágenes estándar de luz visible. La mayoría de las detecciones previas a Euclid dependían de emparejar objetos entre varios estudios de diferente profundidad y cobertura de filtros, para luego priorizar candidatos para costoso tiempo de observación en grandes telescopios.

Euclid aborda ambos problemas a la vez. Su Espectrómetro y Fotómetro Infrarrojo Cercano (NISP) cubre longitudes de onda de 0.95 a 2.0 micras, exactamente donde cae la emisión de Lyman-alfa corrida al rojo de los cuásares con z≥7, mientras que simultáneamente captura fotometría de banda ancha que permite la selección inicial de candidatos. El área del estudio, diseñada para cubrir eventualmente un tercio del cielo a profundidades inalcanzables desde tierra, genera un volumen estadístico lo suficientemente grande como para contener muestras útiles de los objetos más raros. “Su luz primordial es tanto tenue como fácil de confundir con la de estrellas que están más cerca de nosotros”, dijo Antonio La Marca, investigador de la ESA en el equipo de Euclid.

El equipo de Yang aplicó un algoritmo de selección fotométrica a los datos Q1, identificó candidatos consistentes con cuásares en z≥7 y confirmó las detecciones usando el modo espectroscópico del NISP sin necesidad de una campaña terrestre separada. La ganancia en eficiencia respecto a métodos de estudio anteriores es la diferencia entre el resultado acumulado de una década y doce objetos confirmados en un año.

Qué significa realmente el umbral de corrimiento al rojo 7

El corrimiento al rojo cuantifica cuánto se ha expandido el universo desde que se emitió un fotón determinado. Un corrimiento al rojo de z=7 corresponde a un universo que era aproximadamente un octavo de su tamaño lineal actual, lo que se traduce en un tiempo de retroceso de unos 13 mil millones de años y una edad cósmica de 670 millones de años después del Big Bang. En ese momento, el universo estaba completando la reionización, la transición en la que la producción ultravioleta de las primeras fuentes luminosas ionizó el gas de hidrógeno que había mantenido opaco al cosmos primitivo.

Los cuásares con z≥7 estuvieron entre los principales impulsores de la reionización, pero también son su paradoja: requieren agujeros negros supermasivos que crecieron lo suficientemente rápido como para alcanzar miles de millones de masas solares en un punto de la historia cósmica donde, según los modelos estándar de formación de estructuras, apenas había habido tiempo para formar las primeras estrellas. El agujero negro central de la Vía Láctea, Sagitario A*, pesa aproximadamente cuatro millones de masas solares y acumuló esa masa durante los 13.800 millones de años de edad del universo. Los agujeros negros que impulsan los cuásares con z≥7 en el catálogo de Euclid pesan cientos a miles de veces más, y sin embargo acumularon esa masa en menos del 5% del mismo lapso de tiempo.

“Estos monstruos — que pesan miles de millones de veces la masa de nuestro sol — de alguna manera ya existían cuando el universo estaba en su infancia”, dijo Joseph Hennawi, supervisor de Yang en la Universidad de California en Santa Bárbara y coautor del artículo. Encontrar más de una docena de ellos en los datos de un solo año demuestra que no son anomalías estadísticas: la muestra ahora es lo suficientemente grande como para tratarla como una población.

Lo que el catálogo no resuelve

Detecciones confirmadas adicionales fortalecen un caso cuantitativo sin discriminar aún entre los mecanismos de formación propuestos. Los principales candidatos incluyen la acreción sostenida super-Eddington, en la que el gas cae en un agujero negro semilla más rápido que el límite canónico de presión de radiación durante períodos lo suficientemente largos como para construir las masas observadas; el colapso directo de nubes masivas de gas primordial en agujeros negros semilla mucho más pesados que cualquier remanente estelar; y la rápida fusión de densos cúmulos estelares tempranos antes de que se encendiera la primera generación de agujeros negros supermasivos. Cada mecanismo enfrenta restricciones observacionales independientes, y los datos de Euclid aún no incluyen las caracterizaciones de las galaxias anfitrionas necesarias para probarlos directamente.

El artículo de Yang señala que el catálogo de 31 objetos representa un subconjunto brillante de una población subyacente más grande, aquellos lo suficientemente luminosos y en la combinación correcta de corrimiento al rojo y posición en el cielo como para emerger claramente de los datos Q1. Los modelos de completitud requerirán el estudio amplio completo de Euclid, que continúa observando. Una advertencia práctica aplica a los 31 objetos: la caracterización de la galaxia anfitriona, esencial para probar los modelos de formación, requiere observaciones más profundas de las que proporciona el estudio en sí. Silvia Belladitta del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg realizó espectroscopia de seguimiento para el segundo objeto más distante del catálogo; campañas terrestres planificadas abordarán la muestra completa.

Preguntas frecuentes sobre los cuásares antiguos de Euclid

¿Qué es exactamente un cuásar y por qué importa su brillo?

Un cuásar es el núcleo intensamente luminoso de una galaxia impulsado por un agujero negro supermasivo que está acrecentando activamente gas circundante. A medida que el material se calienta en el disco de acreción, irradia a lo largo del espectro electromagnético con un brillo capaz de opacar a todas las estrellas de la galaxia anfitriona combinadas. A las distancias reportadas aquí, solo el motor central es detectable; la galaxia anfitriona es demasiado tenue y demasiado compacta para resolverse. La luminosidad extrema es lo que permite a Euclid detectar objetos a 13 mil millones de años luz de distancia.

¿Por qué se describe a estos objetos como un problema para la cosmología?

Los modelos estándar de crecimiento de agujeros negros establecen un límite natural en las tasas de acreción, conocido como el límite de Eddington. Una semilla de masa estelar, el agujero negro más grande que una estrella puede dejar atrás, acrecentando continuamente a esta tasa no puede alcanzar mil millones de masas solares en el tiempo disponible entre el Big Bang y la época que habitan estos cuásares. Encontrar más de una docena en un solo año de estudio significa que son lo suficientemente comunes como para que ningún evento único exótico pueda explicarlos; el mecanismo de formación tiene que funcionar a escala.

¿Cómo se compara Euclid con estudios anteriores para este tipo de objeto?

El Estudio Amplio de Euclid cubrirá eventualmente aproximadamente 14.000 grados cuadrados con sensibilidades en el infrarrojo cercano que los estudios terrestres no pueden igualar en áreas comparables. La generación anterior de estudios, incluyendo el Sloan Digital Sky Survey y el UKIRT Infrared Deep Sky Survey, identificó la mayor parte del catálogo anterior de cuásares con z≥7 durante más de una década de observaciones combinadas. El instrumento NISP de Euclid realiza el equivalente de la selección inicial y el cribado espectroscópico simultáneamente, comprimiendo lo que antes requería campañas separadas en una sola pasada de observación.

¿Qué sigue en este programa de investigación?

Se planea espectroscopia de seguimiento desde tierra para la muestra completa de 31 objetos para refinar las mediciones de corrimiento al rojo y caracterizar las galaxias anfitrionas. Publicaciones adicionales de datos de Euclid expandirán el catálogo a medida que el estudio amplio acumule área del cielo. La publicación de datos Q2 de Euclid, que cubrió el bulbo galáctico de la Vía Láctea con 60 millones de estrellas capturadas en 26 horas de observación, se publicó a finales de junio; publicaciones posteriores agregarán más área del cielo extragaláctico relevante para las búsquedas de cuásares de alto corrimiento al rojo. “Al encontrarlos y estudiarlos”, escribió Yang, “podemos entender mejor cómo estos enormes sistemas se formaron y crecieron tan rápidamente”.

Referencia: Yang et al., “Euclid: Discovery of 31 high-redshift quasars including two of the most distant quasars known,” Astronomy & Astrophysics, 2026. DOI: 10.1051/0004-6361/202658883

Etiquetas: astronomía, supermassive black holes, early universe, esa, euclid, quasars