Euclid descubrió más cuásares del universo primigenio en un año que toda la ciencia en una década

Durante la última década, confirmar un único cuásar impulsado por un agujero negro que ya pesaba mil millones de masas solares cuando el universo tenía menos de mil millones de años requería un esfuerzo coordinado entre múltiples telescopios y meses de espectroscopia de seguimiento. El resultado acumulativo de esos esfuerzos apenas alcanzaba una docena de objetos confirmados. En su primer año de operaciones científicas, Euclid confirmó doce.

Esa cifra es el resultado central de un estudio dirigido por la estudiante de doctorado de la Universidad de Leiden, Daming Yang, y sus colegas, publicado en Astronomy & Astrophysics como parte de una edición especial de 41 artículos basada en los primeros datos de Euclid. El catálogo completo contiene 31 cuásares previamente desconocidos de la época más temprana del universo: fuentes de luz antiguas, cada una brillando con la energía de aproximadamente un billón de soles, impulsadas por agujeros negros supermasivos ya presentes cuando el cosmos era solo una fracción de su edad actual.

Los dos objetos más distantes del catálogo, designados como EUCL J172902.75+641018.1 y EUCL J125308.55+705432.3, tienen corrimientos al rojo de 7.77 y 7.69, situándolos entre los objetos más lejanos individualmente resueltos en cualquier encuesta. Su luz partió cuando el universo tenía aproximadamente 670 millones de años.

Cómo Euclid identifica objetos que parecen estrellas ordinarias

Detectar cuásares antiguos es como buscar una aguja en un pajar. A distancias extremas, la emisión ultravioleta de un cuásar ha sido estirada por la expansión del universo hasta el infrarrojo cercano, un cambio que coloca sus líneas espectrales características en longitudes de onda a las que la mayoría de los instrumentos terrestres tienen dificultades para acceder eficientemente. Más práctico aún, su aspecto tenue y rojizo los hace casi indistinguibles de estrellas enanas M mucho más cercanas y numerosas en imágenes estándar de luz visible. La mayoría de las detecciones previas a Euclid dependían de la coincidencia de objetos en varias encuestas de profundidad y cobertura variable, priorizando candidatos para tiempo de observación costoso en grandes telescopios.

Euclid aborda ambos problemas a la vez. Su Espectrómetro y Fotómetro de Infrarrojo Cercano (NISP) cubre longitudes de onda desde 0.95 hasta 2.0 micrones, justo donde cae la emisión Lyman-alfa con corrimiento al rojo z≥7 de los cuásares, mientras captura simultáneamente fotometría de banda ancha que permite la selección inicial de candidatos. La superficie del sondeo, diseñada para cubrir eventualmente un tercio del cielo a profundidades inalcanzables desde tierra, genera un volumen estadístico lo suficientemente grande como para contener muestras útiles de los objetos más raros. «Su luz primordial es tanto tenue como fácil de confundir con la de estrellas más cercanas», dijo Antonio La Marca, investigador de la ESA en el equipo de Euclid.

El equipo de Yang aplicó un algoritmo de selección fotométrica a los datos del primer trimestre (Q1), identificó candidatos consistentes con cuásares de z≥7 y confirmó las detecciones utilizando el modo espectroscópico de NISP sin necesidad de una campaña terrestre separada. La ganancia de eficiencia frente a métodos anteriores es la diferencia entre un resultado acumulativo en una década y doce objetos confirmados en un año.

Qué significa realmente el umbral de corrimiento al rojo 7

El corrimiento al rojo cuantifica cuánto se ha expandido el universo desde que se emitió un fotón dado. Un corrimiento al rojo de z=7 corresponde a un universo que era aproximadamente una octava parte de su tamaño lineal actual, lo que se traduce en un tiempo de mirada atrás de unos 13 mil millones de años y una edad cósmica de 670 millones de años después del Big Bang. En ese momento, el universo estaba completando la reionización, la transición en la que la salida ultravioleta de las primeras fuentes luminosas ionizó el gas de hidrógeno que había mantenido el cosmos primitivo opaco.

Los cuásares con z≥7 fueron uno de los principales impulsores de la reionización, pero también son su paradoja: requieren agujeros negros supermasivos que crecieron lo suficientemente rápido como para alcanzar miles de millones de masas solares en un punto de la historia cósmica en el que, según los modelos estándar de formación de estructuras, apenas había habido tiempo para formar las primeras estrellas. El agujero negro central de la Vía Láctea, Sagitario A*, pesa aproximadamente cuatro millones de masas solares y acumuló esa masa a lo largo de toda la edad del universo de 13.800 millones de años. Los agujeros negros que alimentan los cuásares de z≥7 en el catálogo de Euclid pesan cientos o miles de veces más, pero acumularon esa masa en menos del 5% del mismo plazo.

«Estos monstruos —que pesan miles de millones de veces la masa de nuestro sol— de alguna manera ya existían cuando el universo estaba en su infancia», dijo Joseph Hennawi, supervisor de Yang en UC Santa Bárbara y coautor del estudio. Encontrar más de una docena de ellos en un solo año de datos demuestra que no son anomalías estadísticas: la muestra es ahora lo suficientemente grande como para tratarse como una población.

Qué no resuelve el catálogo

Las detecciones confirmadas adicionales fortalecen un caso cuantitativo sin discriminar aún entre los mecanismos de formación propuestos. Los candidatos principales incluyen la acreción super-Eddington sostenida, en la que el gas cae en un agujero negro semilla más rápido que el límite canónico de presión de radiación durante períodos lo suficientemente largos como para construir las masas observadas; el colapso directo de nubes de gas primordiales masivas en agujeros negros semilla mucho más pesados que cualquier remanente estelar; y la fusión rápida de cúmulos estelares densos antes de que se encendiera la primera generación de agujeros negros supermasivos. Cada mecanismo enfrenta restricciones observacionales independientes, y los datos de Euclid aún no incluyen las caracterizaciones de galaxias anfitrionas necesarias para probarlos directamente.

El estudio de Yang señala que el catálogo de 31 objetos representa un subconjunto brillante de una población más grande subyacente, aquellos lo suficientemente luminosos y en la combinación adecuada de corrimiento al rojo y posición en el cielo como para destacarse claramente en los datos del Q1. Los modelos de completitud requerirán el sondeo amplio completo de Euclid, que continúa observando. Una advertencia práctica se aplica a todos los 31 objetos: la caracterización de galaxias anfitrionas, esencial para probar modelos de formación, exige observaciones más profundas de las que proporciona el propio sondeo. Silvia Belladitta del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg realizó espectroscopia de seguimiento para el segundo objeto más lejano del catálogo; campañas terrestres planificadas abordarán la muestra completa.

Preguntas frecuentes sobre los cuásares antiguos de Euclid

¿Qué es exactamente un cuásar y por qué importa su brillo?

Un cuásar es el núcleo intensamente luminoso de una galaxia alimentado por un agujero negro supermasivo que está accretionando gas circundante. A medida que el material se calienta en el disco de acreción, irradia a través del espectro electromagnético con un brillo capaz de eclipsar todas las estrellas de la galaxia anfitriona combinadas. A las distancias reportadas aquí, solo el motor central es detectable; la galaxia anfitriona es demasiado tenue y compacta para ser resuelta. La extrema luminosidad es lo que permite a Euclid detectar objetos desde 13 mil millones de años luz de distancia.

¿Por qué se describen estos objetos como un problema para la cosmología?

Los modelos estándar del crecimiento de los agujeros negros establecen un límite natural en las tasas de acreción, conocido como el límite de Eddington. Una semilla de masa estelar, el agujero negro más grande que una estrella puede dejar atrás, accretionando continuamente a esta tasa no puede alcanzar mil millones de masas solares en el tiempo disponible entre el Big Bang y la época que habitan estos cuásares. Encontrar más de una docena en un solo año de encuesta significa que son lo suficientemente comunes como para que ningún evento exótico único pueda explicarlos; el mecanismo de formación debe funcionar a gran escala.

¿Cómo se compara Euclid con las encuestas anteriores de este tipo de objeto?

El Euclid Wide Survey cubrirá eventualmente aproximadamente 14.000 grados cuadrados con sensibilidades en el infrarrojo cercano que las encuestas terrestres no pueden igualar en áreas comparables. La generación anterior de encuestas, incluidos el Sloan Digital Sky Survey y el UKIRT Infrared Deep Sky Survey, identificó la mayoría del catálogo previo de cuásares z≥7 a lo largo de más de una década de observaciones combinadas. El instrumento NISP de Euclid realiza la selección inicial y el cribado espectroscópico simultáneamente, comprimiendo lo que antes requería campañas separadas en un único paso de observación.

¿Qué sigue en este programa de investigación?

Se planea espectroscopia de seguimiento desde tierra para la muestra completa de 31 objetos para refinar las mediciones de corrimiento al rojo y caracterizar galaxias anfitrionas. Las futuras publicaciones de datos de Euclid expandirán el catálogo a medida que el sondeo amplio acumule más área del cielo. La publicación de datos Q2 de Euclid, que cubrió el bulbo galáctico de la Vía Láctea con 60 millones de estrellas capturadas en 26 horas de observación, se publicó a finales de junio; las publicaciones posteriores añadirán más área extragaláctica relevante para la búsqueda de cuásares de alto corrimiento al rojo. «Al encontrarlos y estudiarlos», escribió Yang, «podemos comprender mejor cómo estos enormes sistemas se formaron y crecieron tan rápidamente».

Referencia: Yang et al., «Euclid: Discovery of 31 high-redshift quasars including two of the most distant quasars known,» Astronomy & Astrophysics, 2026. DOI: 10.1051/0004-6361/202658883

Etiquetas: astronomia, supermassive black holes, early universe, esa, euclid, quasars