El Telescopio Espacial James Webb Captura una Fusión de Cuásar-Galaxia Asombrosa en el Universo Lejano

Las observaciones de este cuásar (ya descrito por los mismos autores en otro estudio publicado el pasado mayo), uno de los primeros estudiados con NIRSpec cuando el universo tenía menos de mil millones de años (corrimiento al rojo z = 6.2342), han revelado datos de calidad sensacional: el instrumento “captó” el espectro del cuásar con una incertidumbre inferior al 1% por píxel. La galaxia anfitriona de PJ308–21 muestra una alta metalicidad y condiciones de fotoionización típicas de un núcleo galáctico activo (AGN), mientras que una de las galaxias satélite exhibe baja metalicidad (que se refiere a la abundancia de elementos químicos más pesados que el hidrógeno y el helio) y fotoionización inducida por la formación de estrellas; una mayor metalicidad caracteriza a la segunda galaxia satélite, que está parcialmente fotoionizada por el cuásar.

El descubrimiento ha permitido a los astrónomos determinar la masa del agujero negro supermasivo en el centro del sistema (alrededor de 2 mil millones de masas solares). También confirmó que tanto el cuásar como las galaxias circundantes están altamente evolucionados en masa y enriquecimiento metálico, y en constante crecimiento. Esto tiene profundas implicaciones para nuestra comprensión de la historia cósmica y la evolución química de las galaxias, destacando el impacto transformador de esta investigación.

Roberto Decarli, investigador del INAF en Bolonia y primer autor del artículo, explica: “Nuestro estudio revela que tanto los agujeros negros en el centro de los cuásares de alto corrimiento al rojo como las galaxias que los albergan experimentan un crecimiento extremadamente eficiente y tumultuoso ya en el primer mil millones de años de historia cósmica, ayudados por el rico entorno galáctico en el que se forman estas fuentes”. Los datos se obtuvieron en septiembre de 2022 como parte del Programa 1554, uno de los nueve proyectos liderados por Italia del primer ciclo de observación de JWST. Decarli dirige este programa para observar la fusión entre la galaxia que alberga el cuásar (PJ308-21) y dos de sus galaxias satélite.

Las observaciones se llevaron a cabo en modo de espectroscopia de campo integral: para cada píxel de imagen, se puede observar el espectro de toda la banda óptica (en el marco de reposo de la fuente), desplazado hacia el infrarrojo por la expansión del universo. Esto permite estudiar varios trazadores de gas (líneas de emisión) utilizando un enfoque 3D. Gracias a esta técnica, el equipo liderado por INAF detectó emisiones espacialmente extendidas de diferentes elementos, que se utilizaron para estudiar las propiedades del medio interestelar ionizado, incluida la fuente y dureza del campo de radiación fotoionizante, la metalicidad, la oscurecimiento del polvo, la densidad y temperatura electrónica, y la tasa de formación de estrellas. Además, los investigadores detectaron marginalmente la emisión de la luz de las estrellas asociada con las fuentes acompañantes.

Federica Loiacono, astrofísica, investigadora y postdoctorado que trabaja en el INAF, comenta con entusiasmo los resultados: “Gracias a NIRSpec, por primera vez podemos estudiar en el sistema PJ308-21 la banda óptica, rica en valiosos datos de diagnóstico sobre las propiedades del gas cerca del agujero negro en la galaxia que alberga el cuásar y en las galaxias circundantes. Podemos ver, por ejemplo, la emisión de átomos de hidrógeno y compararla con los elementos químicos producidos por las estrellas para establecer qué tan rico es el gas en las galaxias en metales. La experiencia en la reducción y calibración de estos datos, algunos de los primeros recopilados con NIRSpec en modo de espectroscopia de campo integral, ha asegurado una ventaja estratégica para la comunidad italiana en la gestión de datos similares de otros programas”. Federica Loiacono es la persona de contacto italiana para la reducción de datos de NIRSpec en el Centro de Soporte JWST de INAF.

Agrega: “Gracias a la sensibilidad del Telescopio Espacial James Webb en el infrarrojo cercano y medio, fue posible estudiar el espectro del cuásar y las galaxias compañeras con una precisión sin precedentes en el universo distante. Solo la excelente ‘vista’ que ofrece JWST, con sus capacidades incomparables, puede garantizar estas observaciones”. El trabajo representó una verdadera “montaña rusa emocional”, continúa Decarli, “con la necesidad de desarrollar soluciones innovadoras para superar las dificultades iniciales en la reducción de datos”.

Este impacto transformador de los instrumentos a bordo del Telescopio Espacial James Webb subraya su papel crucial en el avance de la investigación astrofísica: “Hasta hace un par de años, los datos sobre el enriquecimiento de metales (esenciales para comprender la evolución química de las galaxias) estaban casi fuera de nuestro alcance, especialmente a estas distancias. Ahora podemos mapearlos en detalle con solo unas pocas horas de observación, incluso en galaxias observadas cuando el universo estaba en su infancia”, concluye Decarli.

Artículo de revista relacionado: “Una fusión de cuásar y galaxia en z ∼ 6.2: Crecimiento rápido del anfitrión a través de la acreción de dos galaxias satélite masivas”, por Roberto Decarli, Federica Loiacono, Emanuele Paolo Farina, Massimo Dotti, Alessandro Lupi, Romain A. Meyer, Marco Mignoli, Antonio Pensabene, Michael A. Strauss, Bram Venemans, Jinyi Yang, Fabian Walter, Julien Wolf, Eduardo Bañados, Laura Blecha, Sarah Bosman, Chris L. Carilli, Andrea Comastri, Thomas Connor, Tiago Costa, Anna-Christina Eilers, Xiaohui Fan, Roberto Gilli, Hyunsung D. Jun, Weizhe Liu, Madeline A. Marshall, Chiara Mazzucchelli, Marcel Neeleman, Masafusa Onoue, Roderik Overzier, Maria Anne Pudoka, Dominik A. Riechers, Hans-Walter Rix, Jan-Torge Schindler, Benny Trakhtenbrot, Maxime Trebitsch, Marianne Vestergaard, Marta Volonteri, Feige Wang, Huanian Zhang, Siwei Zou. Próximamente en: Astronomía y Astrofísica.