Los cuásares se encuentran entre los objetos más luminosos del universo conocido. Se encuentran en los núcleos de galaxias distantes y están impulsados por agujeros negros supermasivos. El gas entra en espiral hacia estos agujeros negros a altas velocidades. La fricción genera enormes cantidades de luz. Algunos quásares eclipsan a todas las estrellas de su galaxia de origen. Este brillo permite a los astrónomos verlos desde miles de millones de años luz de distancia.
¿Qué es exactamente un cuásar?
Un cuásar es una región compacta en el centro de una galaxia. Emite enormes cantidades de energía. Esta energía proviene de la acreción. La materia cae en un agujero negro supermasivo. El proceso libera más energía que la fusión nuclear. Esto hace que los quásares sean increíblemente brillantes. Son fuentes de luz puntuales. Los primeros telescopios no pudieron resolverlos. Parecían estrellas. De ahí el nombre de “fuente de radio cuasi estelar”. Hoy sabemos que no son estrellas. Son núcleos galácticos activos.
¿Cómo se descubrieron los cuásares?
Los cuásares fueron identificados por primera vez en la década de 1960. Los astrónomos utilizaron radiotelescopios para detectar fuertes emisiones. Estas fuentes no coincidieron con ninguna estrella conocida. Sus espectros mostraron grandes corrimientos al rojo. Esto indicaba que estaban muy lejos. El corrimiento al rojo implicaba enormes distancias. Sin embargo, eran brillantes. Esto fue desconcertante. ¿Cómo puede algo tan brillante hasta ahora? La respuesta estaba en el agujero negro. La producción de energía fue inmensa.
¿Por qué son importantes los cuásares?
Los cuásares nos ayudan a comprender el universo primitivo. Existen a grandes distancias. La luz de los quásares tarda miles de millones de años en llegar hasta nosotros. Los vemos como eran en el pasado. Esto proporciona una instantánea del universo joven. Los cuásares también revelan el crecimiento de agujeros negros. Muestran cómo evolucionan las galaxias. La interacción entre los agujeros negros y sus galaxias anfitrionas es clave. Los cuásares son marcadores de este proceso.
¿Dónde podemos encontrar cuásares?
Los cuásares se encuentran en los centros de las galaxias. Están esparcidos por el cielo. Telescopios como el Hubble y el James Webb los detectan. Son visibles en estudios del espacio profundo. Sus ubicaciones ayudan a mapear el universo. Los cuásares no están cerca de nuestra Vía Láctea. Están distantes. El quásar más cercano conocido todavía está lejos. Se encuentra a miles de millones de años luz de la Tierra.
¿Qué cuásares son los más brillantes?
Algunos quásares son excepcionalmente brillantes. Pueden eclipsar a toda su galaxia anfitriona. Esto los hace visibles incluso a distancias extremas. Los quásares más brillantes tienen luminosidades equivalentes a billones de soles. Se encuentran entre los objetos más distantes observados. Su brillo permite un estudio detallado. Los astrónomos pueden analizar sus espectros. Esto revela la composición de su entorno.
¿Cómo afectan los cuásares a sus galaxias anfitrionas?
Los cuásares influyen en sus galaxias anfitrionas. La producción de energía puede expulsar el gas de la galaxia. Esto puede detener la formación de estrellas. Los cuásares regulan el crecimiento de las galaxias. Son parte de un circuito de retroalimentación. Los agujeros negros y las galaxias coevolucionan. El estudio de los cuásares nos ayuda a comprender esta relación. Es un área clave de la astronomía moderna.
El futuro de la investigación de cuásares
Los nuevos telescopios están mejorando nuestra visión. El telescopio espacial James Webb detecta cuásares más débiles. Ve más atrás en el tiempo. Esto permite
Por qué los cuásares parecen estrellas (pero no lo son)
El nombre surge de una pequeña confusión astronómica. En la década de 1950, los investigadores escanearon el cielo en busca de señales de radio. La mayoría de las fuentes se alinearon con galaxias normales. Algunos no lo hicieron.
Estos valores atípicos se encontraban cerca del plano de la Vía Láctea. Parecían tenues estrellas azules. Algunos tenían halos borrosos. Los telescopios no podían distinguirlas de las estrellas normales a primera vista.
Entonces obtuvieron un nombre torpe. Fuentes de radio cuasi estelares. Acortado a cuásar en 1964.
La etiqueta se pegó. Describía cómo eran. No lo que eran.
El misterio de los halos azules
Esos halos borrosos no eran sólo ruido visual. Insinuaron algo más grande. Algo más brillante.
Los cuásares funcionan con agujeros negros supermasivos. Se encuentran en los centros de galaxias distantes. La luz que vemos es el disco de acreción. El halo es la galaxia anfitriona. Pero los primeros telescopios sólo veían el núcleo brillante.
Parecía una estrella. Actuó como una estrella. No lo fue.
Cómo lo descubrimos
Una vez que los astrónomos se dieron cuenta de que los quásares no eran estrellas, miraron más de cerca. Las mediciones del corrimiento al rojo mostraron que estaban increíblemente lejos. Si eran tan brillantes a esa distancia, tenían que ser inimaginablemente enérgicos.
El nombre era inapropiado. El objeto era el corazón de una galaxia. Pero el término “quásar” perduró. Es más fácil que decir “núcleo galáctico activo ultraluminoso”.
Todavía usamos el nombre antiguo. Para la estrella azul eso no era una estrella.
El misterio del corrimiento al rojo y la escala de los cuásares
Los espectros ópticos de estos extraños objetos parecidos a estrellas no tenían sentido. Las líneas de emisión aparecieron en longitudes de onda que no coincidían con ninguna fuente celeste conocida. Era un enigma que desconcertaba a los astrónomos hasta que Maarten Schmidt, un astrónomo holandés-estadounidense, lo resolvió en 1963. Se dio cuenta de que el patrón en 3C 273 (el quásar más brillante conocido) era en realidad átomos de hidrógeno estirados por la expansión cósmica. El corrimiento al rojo fue 0,158. Eso significaba que cada longitud de onda era 1,158 veces más larga que una medición de laboratorio.
Aplica la ley de Hubble y obtendrás una distancia de más de dos mil millones de años luz. Eso es lejos. Existían cúmulos de galaxias brillantes a distancias similares. ¿Pero 3C 273? Eclipsó a las galaxias individuales más brillantes de esos cúmulos por un factor de 100. Nunca se había visto nada tan brillante tan lejos.
El problema de la densidad
Las continuas observaciones trajeron una sorpresa aún más extraña. El brillo del cuásar fluctuó enormemente en escalas de tiempo tan cortas como unos pocos días. La física dicta que un objeto no puede cambiar de velocidad más rápido de lo que la luz puede atravesarlo. Por lo tanto, el tamaño total de un cuásar no tenía que ser mayor que unos pocos días luz.
Compacto. Luminoso. Imposible.
Si algo es tan pequeño y tan brillante, la presión de radiación interna debería hacerlo pedazos. Lo único que detiene una explosión autodestructiva es la gravedad. Para mantenerse unido frente a su propio resplandor, un quásar debe ser masivo. Al menos un millón de masas solares. Este es el límite de Eddington, llamado así en honor a Arthur Eddington. Es el punto de inflexión donde la presión de la radiación exterior equilibra la atracción gravitacional interior.
Entonces los astrónomos se enfrentaron a un enigma. ¿Cómo es posible que un objeto del tamaño de nuestro sistema solar pese más que un millón de estrellas y eclipse a una galaxia de 100 mil millones de estrellas?
Acreción y fin de la controversia
La respuesta llegó rápidamente después del descubrimiento de Schmidt. De forma independiente, los astrónomos rusos Yakov Zel’dovich e Igor Novikov, además del austríaco-estadounidense Edwin Salpeter, propusieron la misma solución: acreción por gravedad sobre agujeros negros supermasivos.
Algunos astrónomos lo odiaron. La idea de una luminosidad tan alta en un espacio tan pequeño era desagradable. Propusieron alternativas. Estas teorías sostenían que los quásares en realidad no estaban a esas enormes distancias. Sus corrimientos al rojo no eran cosmológicos. Desde entonces, estas interpretaciones alternativas han sido desacreditadas. Quedan algunos partidarios, pero son valores atípicos.
La controversia sobre el corrimiento al rojo terminó a principios de los años 1980. El astrónomo estadounidense Todd Boroson y el canadiense-estadounidense John Beverly Oke lo demostraron. Demostraron que los halos borrosos que rodean algunos quásares eran simplemente luz de las estrellas de la galaxia anfitriona. ¿Y esas galaxias? Estaban en altos corrimientos al rojo. La distancia era real.
De fuentes de radio a QSO
En 1965, quedó claro que los quásares eran sólo la punta del iceberg. Formaban parte de una población más grande de fuentes inusualmente azules. La mayoría eran fuentes de radio más débiles, demasiado débiles para los primeros estudios. Este grupo más amplio compartía todas las propiedades de los cuásares excepto la radioluminosidad extrema. Fueron denominados objetos cuasi estelares o QSO.
Desde la década de 1980, los astrónomos han visto los QSO como la variedad de alta luminosidad de una clase aún mayor: núcleos galácticos activos, o AGN. Las versiones de menor luminosidad son las galaxias Seyfert, que llevan el nombre de Carl K. Seyfert, quien las identificó por primera vez en 1943.
Encontrar cuásares de manera eficiente
Los primeros quásares se encontraron como fuentes de radio. Pero los astrónomos rápidamente se dieron cuenta de que podían encontrarlas más rápido buscando objetos más azules que las estrellas normales. El método es sencillo. Fotografíe grandes áreas del cielo a través de dos o tres filtros de colores diferentes. Compara las imágenes. Encuentra los objetos inusualmente azules. Verificar con espectroscopía.
Esta sigue siendo la técnica principal. Ha evolucionado, por supuesto. El cine dio paso a los dispositivos electrónicos de carga acoplada (CCD). Los estudios se extendieron a longitudes de onda infrarrojas. Múltiples filtros ahora aíslan los quásares con diferentes corrimientos al rojo en varias combinaciones.
También hay otras formas. Busca fuentes similares a estrellas con variaciones irregulares de brillo. Estudios de rayos X desde el espacio. Los altos niveles de emisión de rayos X se consideran un indicador seguro de un sistema de agujeros negros en acreción.
Estructura física de los cuásares
Piense en la magnitud del motor en el corazón de un quásar. Estamos hablando de un agujero negro con una masa que oscila entre un millón y varios miles de millones de veces la de nuestro Sol. Estos monstruos se encuentran tranquilamente en el centro de muchas galaxias grandes. Pero cuando comen, brillan.
En aproximadamente entre el 5 y el 10 por ciento de estas galaxias, las cosas se vuelven caóticas. El gas cae en el profundo pozo de gravedad del agujero negro. Coge velocidad. Se acumula. La fricción y el calor convierten esta materia que cae en incandescencia, formando un disco de acreción que gira rápidamente justo fuera del horizonte de sucesos.
Existe un límite estricto sobre la velocidad a la que un agujero negro puede devorar. Se llama límite de Eddington. Si un agujero negro acumula materia demasiado rápido, el calor resultante crea tanta presión de radiación hacia afuera que expulsa el gas entrante. La alimentación se detiene. La naturaleza impone un límite de velocidad a la glotonería.
Entonces, ¿qué hace que un núcleo sea “activo”? La mayoría de las galaxias grandes (entre el 90 y el 95 por ciento de ellas) están actualmente en silencio. No son quásares. Un núcleo galáctico activo es diferente porque su agujero negro está consumiendo activamente. Devora unas pocas masas solares de materia cada año. Si come alrededor del 1 por ciento o más de esa tasa de Eddington, la producción de energía es asombrosa. Estamos hablando de una luminosidad total de aproximadamente 10^39 vatios. Compárese eso con los modestos 4 × 10^26 vatios del Sol. Las matemáticas son brutales.
La anatomía de un cuásar
Más allá del agujero negro y el disco brillante, los quásares tienen un interior complicado. Un poco más allá del disco de acreción, se encuentran nubes de gas que se mueven a velocidades increíbles. Estas nubes orbitan la estructura interna y absorben radiación de alta energía del disco. Lo reprocesan, emitiendo amplias líneas espectrales de hidrógeno y otros átomos ionizados. Estas líneas son la huella digital de un cuásar.
Más lejos, todavía en su mayor parte en el plano del disco de acreción, se encuentran nubes de gas cargadas de polvo. Pueden oscurecer el propio quásar, ocultando el motor central de la vista dependiendo del ángulo desde el que se mire.
Luego están los chorros. Algunos quásares disparan haces de plasma altamente colimados a lo largo del eje de rotación. Estos chorros se mueven a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Emiten radiación a través de longitudes de onda de rayos X, radio y, a veces, ópticas. Es un faro cósmico que barre rayos de energía por todo el universo.
Por qué es importante la orientación
Esta estructura compleja significa que la apariencia de un quásar depende completamente de su punto de vista. Específicamente, depende del ángulo del eje de rotación del disco de acreción en relación con su línea de visión.
Si miras hacia abajo por el cañón del chorro, verás algo muy diferente que si miras el disco de canto. El disco de acreción, las nubes de líneas de emisión y los chorros se vuelven más o menos prominentes según esta geometría. Observamos una amplia variedad de fenómenos, pero físicamente muchas de estas fuentes son similares. Simplemente los vemos desde diferentes ángulos.
Evolución de los quásares
Por qué vemos más cuásares en el universo temprano
El universo no siempre estuvo tan tranquilo. Cuando miramos hacia las profundidades del cosmos, miramos hacia atrás en el tiempo. Debido a que la luz tarda en llegar hasta nosotros, los objetos a mayores distancias se ven como hace miles de millones de años. Esta es la razón por la que la densidad numérica de los quásares aumenta drásticamente con el corrimiento al rojo. No es sólo que haya más de ellos lejos. Es que simplemente eran más comunes en el pasado.
Esta tendencia alcanza su punto máximo cuando el universo tenía unos tres mil millones de años. Eso es aproximadamente diez mil millones de años después del Big Bang. Antes de eso, la población todavía estaba aumentando. Los quásares más distantes que conocemos se formaron menos de mil millones de años después del inicio de todo.
La naturaleza episódica del festín de los agujeros negros
Los quásares individuales no son elementos permanentes. Aparecen cuando los agujeros negros centrales comienzan a consumir gas a un ritmo vertiginoso. Esto sucede a menudo después de una fusión de galaxias. El agujero negro crece. Brilla. Pero no dura.
La actividad de los cuásares es episódica. Un solo episodio podría durar alrededor de un millón de años. ¿La vida total? Unos diez millones de años. Eso es un parpadeo en el tiempo cósmico. Finalmente, la alimentación se detiene. El agujero negro queda inactivo. Se esconde en el centro de una galaxia masiva, esperando.
Este ciclo de vida avanza más rápido en los agujeros negros más pesados. Arden brillantes y mueren jóvenes. Los agujeros negros menos masivos se toman su tiempo. Hoy en día, los núcleos galácticos activos (AGN) que vemos son en su mayoría galaxias Seyfert de baja luminosidad con agujeros negros más pequeños. Los gigantes ya están dormidos.
Cómo los agujeros negros controlan a sus anfitriones
Existe una estrecha relación entre la masa de un agujero negro y la masa de su galaxia anfitriona. Es extraño porque el agujero negro es pequeño en comparación con la galaxia. Constituye sólo alrededor del 0,1 por ciento de la masa total. Sin embargo, contiene las claves del futuro de la galaxia.
Durante la fase de cuásar, el agujero negro libera una intensa radiación. Provoca salidas masivas de capitales. Lanza chorros. Estas fuerzas calientan el medio interestelar. Incluso pueden expulsar el gas por completo de la galaxia.
Esto tiene dos efectos principales. En primer lugar, detiene la formación de estrellas. Sin gas no pueden nacer nuevas estrellas. En segundo lugar, corta el suministro de combustible del propio quásar. El agujero negro muere de hambre. Tanto la masa de la estrella como la masa del agujero negro se congelan en su lugar. La galaxia y su monstruo central crecen juntos.
