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Biografía del Universo 25: La época de los cuásares




de 300 a 3.000 millones de años desde el inicio

La anterior entrada de esta serie la dedicamos al proceso de la reionización del Universo. Prefiero llamarle proceso más que época, ya que realmente fue un cambio físico “atómico” que condicionó al mundo físico “vivencial” del Cosmos. Y eso sí es parte de una biografía. De todas formas, estáis en vuestro derecho de discrepar conmigo. En esta entrada intentaré describir al barrio del momento y también a sus parroquianos.

(Imagen a partir de “The Nuclear Wall Chart”, Nuclear Science Division del Lawrence Berkeley National Laboratory, fair use)

Éste puede ser un avance resumen de lo que había ahí y entonces. Las masas de gas arrastradas por la materia oscura estaban colapsando y habían conseguido generar densas zonas de materia. Se empezaban a ver galaxias, muchas, pequeñas y de diversas formas, como era lógico ya que eran el resultado de los procesos azarosos que estaban ocurriendo. Grandes concentraciones en forma de agujeros negros que quizás ya venían desde la recombinación, agujeros negros que fueron motorizando a las jóvenes galaxias que, a la par de encender sus estrellas, pasaban por unas etapas juveniles, posiblemente como cuásares, para irse uniendo y modificando sus estructuras hacia formas espirales o elípticas. Todo dependía de las masas en juego y de los choques -fusiones- que se producían, choques que en aquellos momentos de gran densidad galáctica debía haber en gran cantidad. Entre los dos y tres mil millones de años tras el inicio se llegó al punto álgido. Más allá, una vez reagrupada la materia y ensanchado el Universo, se entró en una fase más estable, lo cual no quiere decir que no se dieran los mismos procesos: se dan con menos intensidad y los estamos observando.

Sabemos que los agujeros negros tuvieron su papel en los colapsos gravitatorios iniciales con los que se iniciaron las estructuras del Universo. Y que estaban ahí antes de que se cumplieran los primeros 500 millones de años. Gracias a satélites como el Hubble, que investiga el campo profundo del Universo, y el satélite Chandra, que hace sus prospecciones en la frecuencia de los rayos X, podemos estudiar a los agujeros negros que se estaban formando en el momento que estamos analizando. Comparando las imágenes de ambos telescopios podemos concluir que la mayoría de las fuentes de rayos X detectadas corresponden a agujeros negros supermasivos. No sabemos mucho cómo se formaron, porque los que observamos están a mil millones de años tras el Big Bang y son de masas hasta cien mil veces la del Sol, por lo que sería difícil de explicarlos como colapso de alguna estrella. Hay hipótesis que dicen que se generaron directamente a partir de una reacción en cadena en grandes nubes de gas, mientras que otras afirman que los agujeros negros se generaron pasando por otros agujeros negros intermedios que, por fusión, dieron lugar a los que vemos con Hubble y Chandra. Un reciente estudio de la NASA parece decantar la primera hipótesis, sugiriendo que según las observaciones obtenidas de los observatorios mencionados -Chandra X-ray, Hubble Space Telescope y Spitzer Space Telescope- se tienen evidencias de que al menos algunos de los primeros agujeros negros se formaron directamente a partir del colapso de una nube de gas, sin pasar por estadios intermedios.[1] Pero otro estudio del Observatorio Chandra X-ray descubrió a NGC 6240, una galaxia con un agujero negro binario en proceso de fusión. Aunque es una galaxia muy cercana, los astrónomos piensan que el proceso fue similar a lo que debió suceder en los primeros momentos. Fuera como fuere, los fenómenos que los formaron estaban ahí desde el principio jugando un papel fundamental en lo que estaba sucediendo.

Pistas de un agujero negro binario en la galaxia NGC 6240. A la izquierda, lo detectado por el Hubble en el rango de las frecuencias visibles, y a la derecha lo detectado por Chandra en el rango de los rayos X (Imagen: ”NASA/CXC/SAO”, uso libre no comercial)

Normalmente estos agujeros negros se encontraban en el centro de galaxias o de cuásares, absorbiendo la materia que se ponía a su alcance y siendo el motor del giro de estas grandes estructuras cósmicas. De forma que casi está establecida la regla de que cada galaxia brillante, ya sea de las activas o no,[2] contienen un agujero negro central supermasivo. Los cuásares son unos objetos normalmente muy lejanos que emiten energía en frecuencia de radio.[3] Hasta hace poco no se sabía que llevan asociados una galaxia, por lo que se cree que constituyen una fase de juventud en la generación de esas estructuras, por lo que su estudio nos puede dar muchas pistas sobre la formación de las galaxias. La dificultad de ver la galaxia asociada al cuásar era debido a su lejanía y, por tanto, a que la sutileza de la luz de la galaxia hacía que apareciera velada por la más intensa emisión del cuásar. Sin embargo, los modernos telescopios permiten recibir la luz en una variada escala de frecuencias y los modernos equipos de estudio de esta luz permiten filtrarla, de forma que al eliminar la luz de los cuásares aparece la lejana galaxia.

Imagen del cuásar H 1413 + 117 obtenida por el telescopio en rayos X Chandra. Aparece cuatro imágenes por efecto de lente gravitatoria producida por alguna masa interpuesta entre el cuásar y nosotros. Se encuentra en un corrimiento al rojo de z=2,56, más o menos a unos 2.700 millones de años tras el Big Bang (Imagen: NASA/CXC/Penn State/G.Chartas et al, uso libre no comercial)

De hecho, gracias a estas tecnologías se están observando más cuásares a grandes distancias -sobre todo entre mil y tres mil millones de años tras el Big Bang- lo que demuestra que eran mucho más numerosos en los inicios que hoy, cuando las primeras galaxias se estaban formando en grandes cantidades, lo que ha hecho que algunos hayan designado a esta fase como la época de los cuásares. Quizás esta transitoriedad de la época cuásar es debida a que para que se “ceben” e inicien y mantengan su actividad se requiere un agujero negro inicial y materia abundante para que impulse la rotación en su caída hacia dicho agujero. Pero las cantidades de materia necesarias para fijar su actividad es tal que los cuásares sólo pueden brillar durante un corto espacio de tiempo, unos pocos millones de años. Para que durasen más se debía tener un “motor” más potente, tenían que unirse algunos agujeros negros para generar un suficiente potencial como para acumular la suficiente materia y cebar así al cuásar. Quizás eso sucediera por fusión dentro de una galaxia joven de varios agujeros negros pequeños que quedaron en su centro. La época de los cuásares comenzó más o menos en un corrimiento al rojo de z=6/7, es decir, a los 800 millones de años tras el Big Bang, aunque tuvo su momento álgido, debido a los comentados procesos más complejos que comportaban la fusión de varios agujeros negros, dos millones de años más tarde.

De las masas de gases a los agujeros negros, y de ellos a los cuásares para llegar a las galaxias. Hasta donde sabemos, el perfil de nacimiento de las galaxias y sus características es bastante claro. Se cree que hubo diez veces más galaxias por unidad de volumen al inicio que las observadas ahora.[4] Además de abundantes, estudiando la nómina de galaxias conocidas de una edad próxima a los mil millones de años vemos que en promedio eran mucho más pequeñas y de mayor luminosidad por unidad de masa  -en la frecuencia de los azules como corresponde a sus jóvenes estrellas- que las galaxias actuales. También sabemos que durante los dos mil primeros millones de años, las que se fueron formando contaban con un número muy pequeño de estrellas. A partir de estas estructuras, como si ya se hubiera acabado la materia prima a depredar, por fusión entre ellas se llegó más tarde a las grandes galaxias que vemos hoy. Aunque algunas de pequeño tamaño se escaparon de estos procesos de fusión y canibalismo y aún podemos observarlas hoy en día.

Curva que correlaciona en el eje vertical la densidad volumétrica de las galaxias con su luminosidad en el eje horizontal (Imagen: Bouwens, CC BY 3.0 US)

Si estudiamos la función de luminosidad, es decir, la densidad de las fuentes luminosas -las estrellas- en función de esta luminosidad, podremos obtener datos precisos de cómo cambió la población de las galaxias a lo largo del tiempo. Los astrónomos han hecho este análisis en el intervalo 4<z<10 -reflejado en la figura anterior-. En ella, el eje vertical indica la distribución de la población, mientras que en el horizontal se trazan las luminosidades. Cuanto más negativo sea más brillante es la galaxia. Y como el eje vertical está representado en unidades logarítmicas, cuanto más negativo sea el número, menor es su abundancia. Dicho esto, la conclusión es que para cualquier época las menos luminosas eran más abundantes que las más luminosas y que a altas z -las más antiguas- las galaxias eran menos luminosas que las que existieron más tarde. Lo cual no nos sorprende, ya que era de esperar que las galaxias más brillantes fueran la consecuencia de la fusión de galaxias menos brillantes y más pequeñas. Esto es coherente con lo que piensan los astrónomos, que establecen la existencia de una jerarquía de fusiones de galaxias en el proceso de su desarrollo.[5] Al igual que las que vemos hoy en día, en su mayoría tendrían que encontrarse dentro de cúmulos de galaxias, por lo que en aquellos momentos era bastante probable todo tipo de interferencias y colisiones. Esto no sólo afecta a sus formas, sino también al proceso de generación interno de estrellas y de emisiones desde el núcleo central. Los estudios de estas características -generación de estrellas y emisiones- indican que las interacciones entre galaxias se dieron con más intensidad hace mucho (para z mayores de 1), la mayoría, en la proximidad de hace unos diez mil millones de años -3.800 millones tras el inicio-.

A la izquierda, parte del campo profundo del universo fotografiado por el satélite Hubble, en donde observamos evidencias “fósiles” de cientos de galaxias a menos de mil millones de años tras el Big Bang. A la izquierda hay una ampliación de alguna de ellas, más bien cúmulos de miles de millones de estrellas muy próximas, auténticas protogalaxias dispuestas a entrar en procesos de fusión entre ellas. Aparecen de color rojo dada su lejanía y consiguiente corrimiento al rojo de la luz de sus estrellas (Imágen: NASA, CC BY 4.0)

Pero ¿qué sucedía dentro de estas galaxias? Ya sabemos que en las nubes de gases del universo se iban condensando cúmulos con mayor densidad de materia, algunos de ellos con las condiciones precisas para encender la fusión nuclear en su interior y alumbrar así el nacimiento de una estrella. Hoy en día aún podemos ver cómo sucede este proceso en lugares como la “incubadora” de la nebulosa de Orión, en donde una familia de estrellas brillantes cohabitan con su materia prima de gases todavía muy próxima a ellas. Creemos que en los primeros millones de años del universo el proceso de creación de estrellas en una galaxia pudo seguir un proceso cíclico: una nube de gases se fusiona, aparecen estrellas jóvenes, su radiación muy energética dispersa a la nube asociada en unos diez millones de años. Estos vientos estelares, conjuntamente con ondas de choque generadas en la explosión de supernovas, comprimen una nueva nube de gases… y vuelta a empezar.

Densidad de la tasa de formación de estrellas en función de la edad del Universo (Imagen: Bouwens, CC BY 3.0 US)

En la figura anterior se ha dibujado la intensidad de formación de estrellas en función de la edad del Universo. Vemos cómo la curva se incrementa rápidamente desde z altas (Redshift en la imagen), gran antigüedad, hasta alcanzar un pico cuando el universo tenía entre dos y tres mil millones de años, para luego ralentizar el ritmo de generación estelar.

Con esto damos por acabada la información de los primeros años de dominio de la materia en el Universo. La materia oscura, que se había posicionado ya desde antes de la recombinación, rápidamente había tomado el mando. Su tirón gravitatorio se tuvo que sentir desde los primeros instantes, ya que observamos cómo aparecen muy pronto las primeras galaxias con sus jóvenes estrellas de población III emitiendo, como era propio de su juventud, energéticos rayos ultravioleta. Se cree que las semillas de este veloz proceso debieron ser los agujeros negros generados por el colapso gravitatorio de las masas de materia oscura, agujeros negros que generaron los antiguos cuásares cuando la materia bariónica ordinaria, cada vez más fría, se frenó lo suficiente como para iniciar su “caída” hacia esos boquetes del universo. Los cuásares se iban alimentando de los bariones más próximos, permitiendo al resto de su población seguir con sus procesos particulares de compactación que ya explicamos en entradas anteriores -desde la 20 a la anterior-. Se fueron generaron cúmulos pequeños y galaxias de tamaño de los pocos miles de años luz, estructuras que se iban sumando generando a su vez otras mayores y más rutilantes.

En el entorno de los dos o tres mil millones de años desde el Big Bang la familia empezó a estabilizarse, entrando en el régimen “normal” de nuestros días. Tenemos ya estrellas, galaxias y cúmulos. Agujeros negros y cuásares.[6] Ahora bien, no obstante la estabilidad alcanzada, tenemos un universo en evolución que seguiremos analizando en la siguiente entrada.

  1. Podéis verlo en la reseña publicada por la NASA o con más detalle en este pdf del trabajo del equipo investigador. []
  2. Galaxia activa (referencia de la web de la Sociedad española de Astronomía): Galaxia de luminosidad excepcionalmente alta y variable que muestra signos de la existencia de procesos muy energéticos relacionados con su zona central o núcleo. El brillo de este pequeño núcleo, que se manifiesta en todas las frecuencias desde ondas de radio a rayos gamma, sobrepasando el del resto de la galaxia, implica la existencia tanto de un enorme calentamiento térmico (temperaturas de millones de grados) como de un potentísimo acelerador de partículas. El origen de estos procesos es la caída de materia hacia un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia. Galaxias Seyfert, cuásares, radiogalaxias o blázares son distintos tipos de galaxias activas. []
  3. Los cuásares son objetos lejanos que emiten grandes cantidades de energía. Se supone que son agujeros negros que capturan estrellas o gas interestelar, formando una especie de galaxia, proceso en el que se emite su intensa radiación. La palabra cuásar es un acrónimo de “quasi stellar radio source” -fuentes de radio casi estelares-. []
  4. En un artículo publicado en la revista The Astrophysical Journal en 2016 se estima que en la edad correspondiente a un corrimiento al rojo de Z=8, 700 años tras el Big Bang, el número total de galaxias sería de dos billones – 2×1012 -, una población mayor en un factor de 10 comparada con la población de 1011 de ahora. El menor número lo podemos atribuir a que se ha vivido un continuo proceso de fusión de galaxias. Pero impresiona la disminución en la densidad ya que para Z=8 el universo era ocho veces menor que ahora, por lo que desde entonces el volumen se ha incrementado más de 500 veces -83=512- y, en consecuencia, la densidad en número de galaxias, teniendo en cuenta el factor de 10 de menos abundancia en la población actual, ha disminuido en más de 5.000. []
  5. Para ver más acerca de los procesos de formación de las galaxias podéis acudir a este artículo de Wikipedia. []
  6. En este enlace podéis encontrar un listado de los objetos astronómicos más lejanos. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 2 } Comentarios

  1. Gravatar Baran | 09/02/2018 at 11:13 | Permalink

    buscando en la red me los he encontrado , muy interesante como abordan el tema sobre los orígenes del universo . soy estudiante y siempre he tenido una duda sobre el nacimiento de las estrellas , o mejor dicho me intriga saber que cuando una de ellas nace del nido (nebulosa) . y aquí hago una analogía con nosotros cuando somos jóvenes y debemos por ley de la vida emprender el viaje . ¿como lo hace una estrella para salir de una nebulosa? . gracias y felicitaciones por todo lo que hacen .

  2. Gravatar jreguart | 10/02/2018 at 08:39 | Permalink

    Hola Baran,

    gracias por tus amables palabras. Con relación a tu curiosidad por el nacimiento de una estrella te recomiendo leas la entrada 22 de esta serie [https://eltamiz.com/elcedazo/2017/12/17/biografia-del-universo-22-de-la-oscuridad-a-la-luz/]. Un saludo.

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