Los cuásares inicialmente confundieron a los astrónomos cuando fueron descubiertos. Primero identificados como fuentes de radiación de radiofrecuencia, observaciones posteriores mostraron que los objetos tenían contrapartes ópticas que parecían estrellas. Pero el espectro de estas supuestas estrellas mostró muchas emisiones en longitudes de onda que no parecían corresponder a ningún átomo que conociéramos.
Finalmente, descubrimos que se trataba de líneas espectrales de átomos normales, pero fuertemente desplazadas al rojo por distancias inmensas. Esto significa que para parecer estrellas a estas distancias, estos objetos tenían que ser más brillantes que una galaxia entera. Finalmente, descubrimos que los quásares son la luz producida por un agujero negro supermasivo que se alimenta activamente en el centro de una galaxia.
Pero encontrar nuevos ejemplos sigue siendo difícil porque, en la mayoría de las imágenes, siguen pareciéndose a estrellas; todavía es necesario obtener un espectro y calcular su distancia para saber que estás mirando un quásar. Debido a eso, es posible que haya algunos quásares inusuales que hayamos ignorado porque no nos dimos cuenta de que eran quásares. Ese es el caso de un objeto llamado J0529-4351, que resultó ser el quásar más brillante que jamás hayamos observado.
¡Eso no es una estrella!
J0529-4351 había sido observado varias veces, pero su naturaleza no fue reconocida hasta que un estudio fue en busca de quásares y reconoció que era uno. En el momento del artículo de 2023 que describía la encuesta, los investigadores detrás de ella sugirieron que había sido magnificada mediante lentes gravitacionales o que era el quásar más brillante que jamás hayamos identificado.
En Nature Astronomy de esta semana, lo confirmaron: no es una lente, realmente es así de brillante. Las lentes gravitacionales tienden a distorsionar los objetos o crear múltiples imágenes de ellos. Pero J0529−4351 no está distorsionado y nada cercano se parece a él. Y no hay nada en primer plano que tenga suficiente masa para crear una lente.
Entonces, ¿cómo se toma una instancia de un objeto increíblemente brillante y se hace aún más brillante? La luz de un cuásar es producida por un disco de acreción. Si bien se pueden formar discos de acreción alrededor de agujeros negros con masas similares a las estrellas, los quásares requieren un agujero negro supermasivo como los que se encuentran en el centro de las galaxias. Estos discos están formados por material que ha sido capturado por la gravedad del agujero negro y se encuentra en órbita antes de caer hacia adentro y cruzar el horizonte de sucesos. La luz se crea cuando el material se calienta por las colisiones de sus partículas constituyentes y cede energía gravitacional a medida que cae hacia adentro.
Obtener más luz de un disco de acreción es bastante simple: o se le pone más material o se lo hace más grande. Pero hay un límite en la cantidad de material que puedes meter en uno. En algún momento, el disco de acreción producirá tanta radiación que expulsará cualquier material adicional que caiga hacia adentro, básicamente ahogando su propio suministro de alimentos. Llamado límite de Eddington, esto establece límites sobre qué tan brillante puede ser un disco de acreción y qué tan rápido puede crecer un agujero negro.
Factores como la masa del agujero negro y su giro ayudan a establecer el límite de Eddington. Además, la cantidad de material que cae hacia adentro puede caer por debajo del límite de Eddington, lo que hace que se produzca un poco menos de luz. Al probar varias combinaciones de estos factores y compararlos con datos de observación, los investigadores obtuvieron varias estimaciones de las propiedades del agujero negro supermasivo y su disco de acreción.
Extremadamente brillante
Para el tamaño del agujero negro supermasivo, los investigadores proponen dos estimaciones posibles: una de 17 mil millones de masas solares y la otra de 19 mil millones de masas solares. No es el más masivo conocido, pero sólo hay una docena que se cree que son más grandes. (A modo de comparación, el que está en el centro de la Vía Láctea tiene «sólo» unos 4 millones de masas solares). Los datos se ajustan mejor con un giro moderado, viéndolos desde unos 45 grados del polo del agujero negro. El disco de acreción tendría aproximadamente siete años luz de diámetro. Es decir, si el sistema estuviera centrado en nuestro Sol, varias estrellas cercanas estarían dentro del disco.
La tasa de acreción necesaria para alimentar el brillo está justo por debajo del límite de Eddington y equivale aproximadamente a 370 masas solares de material por año. O alrededor de un sol al día. A ese ritmo, se necesitarían unos 30 millones de años para duplicar su tamaño.
Pero es raro tener tanto material disponible para alimentarlo durante tanto tiempo. Y una mirada a las imágenes de archivo muestra que el brillo de J0529-4351 puede variar hasta en un 15 por ciento, por lo que no es probable que supere el límite de Eddington todo el tiempo.
Aun así, es difícil entender cómo se puede conducir esa cantidad de material hacia el centro de una galaxia durante un período de tiempo considerable. Los investigadores sugieren que el conjunto de telescopios ALMA podría detectar cualquier cosa inusual allí. «Si los quásares extremos fueron causados por flujos inusuales de gas en la galaxia anfitriona, ALMA debería detectar esto», escriben. «Si no se encontrara nada inusual en el gas anfitrión, entonces esto agudizaría el conocido enigma de cómo mantener altas tasas de acreción durante el tiempo suficiente para formar agujeros negros supermasivos tan extremos».
Todo el disco de acreción también es lo suficientemente grande como para que sea posible obtener imágenes de él con el Very Large Telescope, lo que nos permitiría rastrear la rotación del disco y estimar la masa del agujero negro.
La naturaleza extrema del sistema, entonces, puede ayudarnos a descubrir sus detalles a pesar de su inmensa distancia. Mientras tanto, los investigadores se preguntan si otros sistemas inusuales podrían quedar sin descubrir simplemente porque no hemos considerado que un objeto podría ser un cuásar en lugar de una estrella.
Astronomía de la naturaleza, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02195-x (Acerca de los DOI).