Cuanto más lejos en el espacio miramos, más atrás en el tiempo vemos. La luz viaja a 300.000 kilómetros por segundo, y eso significa que la luz de los objetos más lejanos del universo observable tardó miles de millones de años en llegar a nosotros. Cuando ese objeto es un cuásar, uno de los faros más brillantes del cosmos, podemos detectarlo incluso desde distancias que desafían la intuición. Y lo que estamos viendo, según un nuevo paper publicado en Astronomy & Astrophysics, amplía y profundiza uno de los mayores misterios de la cosmología moderna.
Un equipo internacional liderado por Daming Yang de la Universidad de Leiden anunció el descubrimiento de 31 cuásares extremadamente antiguos usando el telescopio espacial Euclid de la ESA, incluyendo los dos más distantes y antiguos jamás detectados. Su luz emprendió el viaje hasta nuestros telescopios cuando el universo tenía apenas unos 670 millones de años, el 5% de su edad actual de 13.800 millones de años. Cada uno de esos cuásares tiene en su centro un agujero negro supermasivo con una masa de miles de millones de soles. Y nadie sabe todavía cómo llegaron a ser tan grandes tan rápido.
Qué es un cuásar y por qué son los objetos perfectos para estudiar el universo temprano
Un cuásar (contracción de «quasi-stellar object») es el núcleo activo de una galaxia joven donde un agujero negro supermasivo está devorando materia a un ritmo extraordinario. El gas y el polvo que caen hacia el agujero negro forman un disco de acreción que se calienta hasta temperaturas extremas y emite radiación en todo el espectro electromagnético, desde ondas de radio hasta rayos X. La luminosidad resultante puede superar a todo el resto de la galaxia huésped por un factor de entre cien y mil, y llegar a brillar billones de veces más que el Sol.
Esa luminosidad extrema tiene una consecuencia práctica muy útil para la astronomía: los cuásares pueden detectarse incluso desde distancias a las que galaxias normales serían completamente invisibles. Son el equivalente cósmico de un faro en la oscuridad: la luz de una vela a esa distancia no podría verse, pero la luz de un faro sí. Eso los convierte en los instrumentos ideales para estudiar el universo cuando era muy joven, porque son los únicos objetos lo suficientemente brillantes como para ser detectados desde esas épocas tan remotas.
Además, la luz de los cuásares atraviesa el gas intergaláctico que existía entre ellos y la Tierra en el momento en que fue emitida. Ese gas absorbe ciertas longitudes de onda de la luz del cuásar de formas características, y analizando esas absorciones los astrónomos pueden reconstruir el estado del gas intergaláctico en el universo temprano, incluyendo el proceso de reionización que puso fin a las «edades oscuras» cósmicas cuando las primeras estrellas y galaxias ionizaron el hidrógeno neutro que llenaba el universo tras el Big Bang.
Euclid: dos años de operaciones, el doble de cuásares del universo temprano
El telescopio Euclid de la ESA fue lanzado en julio de 2023 y opera desde el punto de Lagrange L2, a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra, la misma posición que el James Webb. Su diseño está optimizado para cubrir áreas enormes del cielo con alta sensibilidad en longitudes de onda ópticas e infrarrojas cercanas, lo que lo convierte en una herramienta especialmente potente para encontrar objetos muy lejanos, cuya luz ha sido corrida hacia el rojo por la expansión del universo (redshift).
En solo dos años de operaciones, Euclid duplicó el número de cuásares del universo temprano conocidos. Antes de la misión, el catálogo de cuásares con redshifts superiores a z=6,5 (universo con menos de 900 millones de años) era de pocas docenas. Los 31 nuevos objetos anunciados en este paper los añaden todos a esa categoría, y dos de ellos establecen el nuevo récord absoluto de distancia con redshifts de z=7,6 y z=7,8, superando en unos 20 millones de años al anterior cuásar más antiguo conocido, descubierto por parte del mismo grupo en 2021.
El misterio que se profundiza: ¿cómo crecieron tan rápido?
El hallazgo es importante, pero el problema que revela lo es aún más. Los agujeros negros supermasivos de estos cuásares tienen masas de entre mil millones y varios miles de millones de masas solares. Para que un agujero negro alcance esas dimensiones a través de los mecanismos de crecimiento estándar (acreción de gas y fusiones con otros agujeros negros), los modelos cosmológicos estiman que se necesitan entre varios cientos de millones y más de mil millones de años.
El problema es que estos agujeros negros ya tenían esas masas cuando el universo tenía solo 670 millones de años. Incluso si empezaron a crecer desde el primer momento después del Big Bang, el tiempo disponible es insuficiente para explicar cómo llegaron a ser tan masivos con los mecanismos de crecimiento conocidos. Los astrónomos llevan años enfrentando este problema con cada nuevo descubrimiento de cuásares en el universo temprano, y cada vez que avanzan hacia épocas más antiguas, el problema se hace más agudo.
«Cada paso que damos hacia épocas más tempranas hace que el rompecabezas sea todavía más desconcertante», señaló Joseph Hennawi, coautor del trabajo. Las hipótesis propuestas para resolverlo incluyen la formación directa de agujeros negros supermasivos «semillas» en el universo temprano sin pasar por la fase de estrella masiva, tasas de acreción mucho más altas de lo que los modelos actuales permiten, o mecanismos de fusión acelerada en los densos entornos del universo joven. Ninguna de ellas tiene todavía una confirmación observacional satisfactoria.
El James Webb ya realizó observaciones detalladas de varios de los objetos recién descubiertos, y el análisis de esos datos, con la resolución espectral que permite el Webb, podría aportar nuevas pistas. Como documenta el paper publicado en Astronomy & Astrophysics, los investigadores ya buscan cuásares todavía más antiguos en los datos de Euclid, con el objetivo de llegar a épocas donde el universo tenía menos de 500 millones de años y donde el contraste entre los modelos y las observaciones podría ser todavía más extremo.
