Los datos proporcionados por el Instrumento Espectroscópico para la Energía Oscura (DESI, por sus siglas en inglés) revelan la muestra más grande obtenida hasta la fecha de agujeros negros de masa intermedia y de galaxias enanas que albergan un agujero negro activo, más del triple del censo existente de ambos. Estas enormes muestras permitirán realizar estudios más en profundidad de la dinámica entre la evolución de las galaxias enanas y el crecimiento de los agujeros negros. Además, abrirá un abanico de posibilidades de nuevos descubrimientos en torno a la evolución de los primeros agujeros negros del universo.

Los primeros datos de DESI contienen casi 3,5 millones de espectros de galaxias únicos. La muestra utilizada en este trabajo se seleccionó basándose en el corrimiento al rojo (distancia) y la detección precisa de líneas de emisión. Utilizando datos iniciales de DESI, un equipo internacional de científicos ha conseguido recopilar la muestra más grande jamás obtenida de galaxias enanas que albergan un agujero negro en su interior, así como la colección más extensa de candidatos a agujeros negros de masa intermedia hasta la fecha. Este doble logro no solo amplía el conocimiento científico de la población de agujeros negros en el universo, sino que sienta las bases de futuras exploraciones sobre la formación de los primeros agujeros negros en el universo y su papel en la evolución de las galaxias.

DESI es un instrumento de última generación capaz de capturar simultáneamente la luz de 5.000 galaxias. Fue construido y es actualmente utilizado con financiación de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE, por sus siglas en inglés). DESI está instalado en el Telescopio Nicholas U. Mayall de 4 metros del  Observatorio Nacional Kitt Peak (KPNO) de NSF, un programa de NSF NOIRLab. El programa se encuentra ahora en el cuarto año de los cinco años de cartografiado del cielo y se prevé que observe aproximadamente 40 millones de galaxias y cuásares para cuando el proyecto haya finalizado.

El proyecto DESI es una colaboración internacional de más de 900 investigadores/as de alrededor de 70 instituciones de todo el mundo y es administrado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). Participan en DESI el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC), el Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), el Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB), el Institut de Física d'Altes Energies (IFAE), el Instituto de Física Teórica (IFT-UAM/CSIC), el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA) y el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC).

Con los datos iniciales de DESI, que incluyen la validación del estudio y el 20% de sus operaciones del primer año, el equipo liderado por la investigadora posdoctoral de la Universidad de Utah, Ragadeepika Pucha, pudo obtener un conjunto de datos sin precedentes que incluyen los espectros de 410.000 galaxias, entre ellas unas 115.000 galaxias enanas, es decir, unas pequeñas galaxias difusas que contienen entre miles y varios miles de millones de estrellas y muy poco gas. Este amplio conjunto permitirá a Pucha y a su equipo explorar la compleja interacción entre la evolución de los agujeros negros y la de las galaxias enanas.

Aún que en astrofísica se considera con bastante seguridad que todas las galaxias masivas, como la Vía Láctea, albergan agujeros negros en sus núcleos, el panorama se vuelve confuso a medida que se avanza hacia la parte de menor masa del espectro. Encontrar agujeros negros es un reto en sí mismo, pero identificarlos dentro de galaxias enanas es aún más complicado, debido a su reducido tamaño y a la limitada capacidad de los instrumentos que utilizamos actualmente para encontrar las regiones cercanas a estos objetos. Sin embargo, un agujero negro que se alimenta activamente es mucho más fácil de detectar.

“Cuando un agujero negro en el centro de una galaxia comienza a alimentarse, desprende una enorme cantidad de energía en su entorno, transformándose en lo que llamamos un núcleo activo de galaxia”, afirma Pucha. “Esta espectacular actividad nos sirve de faro para poder identificar agujeros negros ocultos en estas pequeñas galaxias”, añade.

A partir de su investigación, el equipo identificó la asombrosa cifra de 2.500 galaxias enanas candidatas a albergar un núcleo activo de galaxia (AGN, por sus siglas en inglés), lo que la convierte en la mayor muestra jamás registrada. La proporción significativamente mayor de galaxias enanas que albergan un AGN (2%) en relación con estudios anteriores (aldededor del 0,5%) es un resultado emocionante y sugiere  que los científicos/as han estado pasando por alto un número considerable de agujeros negros de baja masa. 

“Encontrar una cantidad tan grande de AGN en galaxias enanas puede darnos una pista sobre cómo se formaron los primeros agujeros negros en el universo temprano”, afirma Mar Mezcua, investigadora del ICE-CSIC y el IEEC, coautora del estudio y experta en AGN y agujeros negros de masa intermedia.

Este mosaico muestra una serie de imágenes de candidatos a agujeros negros de masa intermedia, dispuestas en orden ascendente de masa estelar, capturadas por la Hyper Suprime-Cam del Telescopio Subaru. Créditos: Legacy Surveys/D. Lang (Perimeter Institute)/NAOJ/HSC Collaboration/D. de Martin (NSF NOIRLab) & M. Zamani (NSF NOIRLab)

Agujeros negros de masa intermedia

Como parte de la búsqueda a través de los datos DESI, el equipo identificó 300 candidatos a agujeros negros de masa intermedia, la muestra más extensa hasta la fecha. La mayoría de los agujeros negros son, o bien de masa estelar (menos de 100 veces la masa de nuestro Sol), o bien supermasivos (más de un millón de veces la masa del Sol). Los agujeros negros que se encuentran entre estos dos extremos son pocos conocidos, pero se cree que son reliquias de los primeros agujeros negros formados en el universo primitivo, así como las semillas de los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el centro de las grandes galaxias actuales. Sin embargo, siguen siendo un misterio, dado que hasta ahora sólo se conocían entre 100 y 150 candidatos a agujeros negros de masa intermedia. Gracias a la gran población descubierta por DESI, actualmente existe un potente conjunto de datos para estudiar estos enigmas cósmicos.

“El diseño tecnológico de DESI fue importante para este proyecto, en particular el pequeño tamaño de su fibra, que nos permitió acercarnos mejor al centro de las galaxias e identificar las sutiles señales de los agujeros negros activos”, afirma Stephanie Juneau, astrónoma asociada de NSF NOIRLab y coautora del artículo. “Con otros espectrógrafos de fibra con fibras más grandes, entra más luz estelar de las afueras de la galaxia y diluye las señales que estamos buscando. Esto explica por qué en este trabajo hemos logrado encontrar una mayor proporción de agujeros negros activos en comparación con trabajos anteriores”, añade.

Normalmente, se espera que los agujeros negros de las galaxias enanas pertenezcan al régimen de masa intermedia. Curiosamente, sólo 70 de los candidatos a agujeros negros de masa intermedia descubiertos coinciden con los candidatos a AGN enanos. Esto añade otro nivel de emoción a los hallazgos y plantea interrogantes sobre la formación de los agujeros negros y su evolución dentro de las galaxias.

“Por ejemplo, ¿hay alguna relación entre los mecanismos de la formación de agujeros negros y los tipos de galaxias que habitan?”, dice Pucha. “La abundancia de nuevos candidatos nos ayudará a investigar en profundidad estos misterios, enriqueciendo nuestro conocimiento sobre los agujeros negros y su rol esencial en la evolución de las galaxias”, añade.