Las observaciones realizadas con la Cámara de Energía Oscura (DECam) confirman las expectativas de los astrónomos de que los cuásares de principios del Universo se formaron en regiones del espacio densamente pobladas de galaxias compañeras. El campo de visión excepcionalmente amplio de DECam y sus filtros especiales han desempeñado un papel crucial para llegar a esta conclusión, y las observaciones revelan por qué los estudios anteriores que trataban de caracterizar la densidad de los vecindarios de los cuásares del Universo temprano han arrojado resultados contradictorios. El equipo está compuesto por un importante grupo de astrónomos, entre ellos J. González-López (Observatorio Las Campanas, Chile/Universidad Diego Portales, Chile) y L. Infante (Director del Observatorio Las Campanas).
Los cuásares son los objetos más luminosos del Universo y están alimentados por el material que se acumula en los agujeros negros supermasivos situados en el centro de las galaxias. Los estudios han demostrado que los cuásares del Universo temprano tienen agujeros negros tan masivos que deben haber estado tragando gas a velocidades muy altas, lo que lleva a la mayoría de los astrónomos a creer que estos cuásares se formaron en algunos de los entornos más densos del Universo, donde el gas estaba más disponible. Sin embargo, las observaciones realizadas para confirmar esta conclusión han arrojado resultados contradictorios. Ahora, un nuevo estudio realizado con la Cámara de Energía Oscura (DECam) señala el camino hacia una explicación de estas observaciones dispares y también hacia un marco lógico para conectar la observación con la teoría.
DECam fue fabricado por el Departamento de Energía y está montado en el Telescopio de 4 metros Víctor M. Blanco de la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU. en el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo en Chile, un Programa de NSF NOIRLab.
El estudio fue dirigido por Trystan Lambert, quien completó este trabajo como estudiante de doctorado en el Instituto de Estudios Astrofísicos de la Universidad Diego Portales en Chile y ahora es postdoc en el nodo de la Universidad de Australia Occidental en el Centro Internacional de Investigación en Radioastronomía (ICRAR). Utilizando el enorme campo de visión de DECam, el equipo llevó a cabo la mayor búsqueda jamás realizada en el cielo alrededor de un cuásar del Universo temprano, en un esfuerzo por medir la densidad de su entorno contando el número de galaxias compañeras circundantes.
Para su investigación, el equipo necesitaba un cuásar con una distancia bien definida. Afortunadamente, el cuásar VIK 2348-3054 tiene una distancia conocida, determinada por observaciones previas con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), y el campo de visión de tres grados cuadrados de DECam proporcionó una visión expansiva de su vecindario cósmico. Por casualidad, DECam también está equipado con un filtro de banda estrecha perfectamente adaptado para detectar sus galaxias compañeras. «Este estudio del cuásar fue realmente la tormenta perfecta», afirma Lambert. «Teníamos un cuásar con una distancia bien conocida, y DECam en el telescopio Blanco ofrecía el enorme campo de visión y el filtro exacto que necesitábamos».
El filtro especializado de DECam permitió al equipo contar el número de galaxias compañeras alrededor del cuásar mediante la detección de un tipo muy específico de luz que emiten, conocida como radiación Lyman-alfa. La radiación Lyman-alfa es una señal energética específica del hidrógeno, producida cuando éste se ioniza y luego se recombina durante el proceso de formación estelar. Los emisores Lyman-alfa suelen ser galaxias más jóvenes y pequeñas, y su emisión Lyman-alfa puede utilizarse para medir con fiabilidad sus distancias. Las medidas de distancia de varios emisores Lyman-alfa pueden utilizarse para construir un mapa tridimensional de la vecindad de un cuásar.
Tras cartografiar sistemáticamente la región espacial que rodea al cuásar VIK J2348-3054, Lambert y su equipo hallaron 38 galaxias compañeras en el entorno más amplio que rodea al cuásar -hasta una distancia de 60 millones de años luz-, lo que concuerda con lo esperado para los cuásares que residen en regiones densas. Sin embargo, se sorprendieron al descubrir que en un radio de 15 millones de años-luz alrededor del cuásar no había ninguna galaxia compañera.
Este hallazgo arroja luz sobre la realidad de estudios anteriores destinados a clasificar los entornos de los cuásares del Universo temprano y propone una posible explicación de por qué han arrojado resultados contradictorios. Ningún otro estudio de este tipo ha utilizado un área de búsqueda tan grande como la proporcionada por DECam, por lo que para las búsquedas en áreas más pequeñas el entorno de un cuásar puede parecer engañosamente vacío.
«La visión extremadamente amplia de DECam es necesaria para estudiar a fondo los vecindarios de los cuásares. Realmente hay que abrirse a un área mayor», dice Lambert. «Esto sugiere una explicación razonable de por qué las observaciones anteriores están en conflicto entre sí».
El equipo también sugiere una explicación para la falta de galaxias compañeras en las inmediaciones del cuásar. Postulan que la intensidad de la radiación del cuásar puede ser lo suficientemente grande como para afectar, o potencialmente detener, la formación de estrellas en estas galaxias, haciéndolas invisibles a nuestras observaciones.
«Algunos cuásares no son vecinos tranquilos», afirma Lambert. «Las estrellas de las galaxias se forman a partir de gas lo suficientemente frío como para colapsar bajo su propia gravedad. Los cuásares luminosos pueden ser potencialmente tan brillantes como para iluminar este gas en galaxias cercanas y calentarlo, impidiendo este colapso.»
El equipo de Lambert está realizando observaciones adicionales para obtener espectros y confirmar la supresión de la formación estelar. También planean observar otros cuásares para construir un tamaño de muestra más robusto.
«Estos hallazgos demuestran el valor de la fructífera colaboración entre la National Science Foundation y el Departamento de Energía», afirma Chris Davis, director del programa NOIRLab de la NSF. «Esperamos que esa productividad se amplifique enormemente con el próximo Observatorio NSF-DOE Vera C. Rubin, una instalación de nueva generación que revelará aún más sobre el Universo primitivo y estos notables objetos.»
Esta investigación se presentó en un artículo titulado «A lack of LAEs within 5 Mpc of a luminous quasar in an overdensity at z=6.9: potential evidence of quasar negative feedback at protocluster scales», que aparecerá en Astronomy & Astrophysics. DOI: 10.1051/0004-6361/202449566