Luz desde las profundidades del cosmos: cuásares y blazares, enigmáticos "faros" cósmicos

Si imaginamos que estamos observando una estrella cuya luz ha viajado miles de millones de años hasta nosotros, desde cuando el Universo era muy joven y la Tierra aún no había nacido, y multiplicamos el brillo de esa luz por miles, obtendremos un cuásar: uno de los objetos más poderosos y enigmáticos del cosmos. Estos faros cósmicos, que brillan con una fuerza increíble, nos permiten asomarnos al pasado lejano del Universo, cuando las primeras galaxias apenas comenzaban a formarse. Entre ellos destacan los blazares, cuásares cuyos chorros de plasma se dirigen directamente hacia nosotros, como gigantescos reflectores. Uno de estos objetos es PKS 1614+051, situado a más de 11.000 millones de años luz. Su estudio, al igual que el reciente descubrimiento del potente cuásar SRGA J2306+1556, ayuda a los científicos a desvelar los secretos del nacimiento de las galaxias y los agujeros negros supermasivos.

Gigantescos motores cósmicos

En el centro de casi todas las galaxias grandes se esconde un agujero negro supermasivo, un objeto con una masa miles de millones de veces mayor que la de nuestro Sol. Cuando gas, polvo o incluso estrellas caen en sus garras gravitacionales, forman un disco de acreción, una estructura caliente que gira a gran velocidad. Este disco irradia en todas las longitudes de onda, desde ondas de radio hasta rayos gamma, lo que convierte a los cuásares en uno de los objetos más brillantes del Universo. Su luminosidad puede superar en miles de veces la radiación combinada de todas las estrellas de una galaxia, que consta de cientos de miles de millones de soles.

Los cuásares son núcleos galácticos activos donde un agujero negro se "alimenta" de la materia circundante, liberando una energía colosal. Alrededor del 10-15% de los cuásares, como PKS 1614+051, son "radiofuertes": emiten una fuerte radiación de radioondas que se crea en chorros relativistas, o jets, estrechos flujos de plasma que se expulsan de la región que rodea al agujero negro central a una velocidad cercana a la de la luz. Debido a los efectos de la teoría de la relatividad de Einstein, estos objetos nos parecen especialmente brillantes y variables: su brillo puede cambiar en horas, días o años.

El enigma de PKS 1614+051

PKS 1614+051 es uno de los blazares más lejanos conocidos por la ciencia. Su luz, que vemos hoy, fue emitida cuando el Universo tenía solo el 10-15% de su edad actual, hace unos 11.500 millones de años. Esto lo convierte en una ventana a la época en que las primeras galaxias y agujeros negros apenas comenzaban a formarse. Científicos del Observatorio Astrofísico Especial de la Academia de Ciencias de Rusia y de otras instituciones han estudiado este objeto durante 27 años, utilizando el radiotelescopio ruso único RATAN-600 y otros instrumentos. Su trabajo, publicado en 2024 en la revista Astrophysical Bulletin, revela las asombrosas características de este blazar.

Uno de los enigmas de PKS 1614+051 es su espectro de radio, que tiene un máximo pronunciado a una frecuencia de unos 5 GHz. Normalmente, el espectro de radio de los cuásares disminuye suavemente al aumentar la frecuencia, pero en algunos objetos, denominados fuentes HFP (de high-frequency peaker), se observa un pico de brillo.

Los científicos sugieren que estos picos pueden indicar la juventud del objeto (tiene solo unos pocos miles de años) o su entorno con una densa nube de gas que absorbe parte de la radiación. PKS 1614+051 es único porque su máximo espectral permanece estable durante décadas, lo que es inusual para los blazares, cuyas características cambian a menudo debido a las erupciones en sus jets.

Esto permitió a los científicos detectar signos de rotación de una nube de gas alrededor del blazar, lo que podría ser la clave para comprender su naturaleza. La espectroscopia en el Gran Telescopio Azimutal (BTA) mostró que el gas alrededor de PKS 1614+051 se mueve de forma ordenada, posiblemente formando un disco gigante de decenas de miles de años luz de tamaño. Este descubrimiento apunta a una compleja interacción entre el agujero negro y el entorno circundante, que puede determinar las propiedades del blazar.

SRGA J2306+1556: un cuásar que sorprendió a los científicos

Mientras que PKS 1614+051 nos transporta al Universo temprano, otro cuásar, SRGA J2306+1556, descubierto por el telescopio ART-XC a bordo del observatorio "Spektr-RG", permite estudiar procesos característicos de épocas posteriores. Descubierto en 2020, este objeto se encuentra en un desplazamiento al rojo de z=0.4389, lo que corresponde a una edad del Universo de unos 9.000 millones de años. A pesar de su relativa "proximidad" en comparación con PKS 1614+051, su luminosidad de rayos X, de unos 5×10^45 erg/s, lo convierte en uno de los cuásares más potentes de los últimos cinco mil millones de años.

Las imágenes de radio mostraron que este cuásar expulsa dos gigantescos chorros de plasma que forman "orejas de radio" de 3 millones de años luz de longitud. Estos chorros son el resultado de la acreción de materia en el agujero negro, que libera energía no solo en forma de radiación, sino también en forma de fuerza mecánica que acelera el plasma casi a la velocidad de la luz.

Cabe destacar que la radiación de rayos X de SRGA J2306+1556 varía mucho: en pocos años, su brillo ha disminuido varias veces, lo que indica un proceso de acreción inestable.

Esto convierte a SRGA J2306+1556 en un laboratorio único para estudiar cómo el entorno circundante influye en el comportamiento de los cuásares.

El estudio de cuásares y blazares como PKS 1614+051 y SRGA J2306+1556 nos ayuda a comprender cómo se formaron las primeras galaxias y los agujeros negros supermasivos. Estos objetos no son solo puntos brillantes en el cielo, sino la clave para desentrañar los procesos fundamentales que determinaron la evolución del Universo. Por ejemplo, los datos sobre el disco de gas en rotación alrededor de PKS 1614+051 indican que los agujeros negros en el Universo temprano podrían haber crecido interactuando con un entorno denso. Esto confirma la teoría de la "retroalimentación", según la cual los núcleos galácticos activos influyeron en la formación de estrellas y estructuras galácticas.

Los cuásares también sirven como laboratorios naturales para probar teorías físicas. Sus condiciones extremas (campos magnéticos potentes, velocidades relativistas, altas energías) permiten a los científicos estudiar procesos que no se pueden recrear en la Tierra. Por ejemplo, el análisis de los jets de los blazares ayuda a comprender cómo las partículas se aceleran hasta velocidades cercanas a la de la luz y cómo los campos magnéticos controlan estos flujos.

Las tecnologías modernas abren nuevos horizontes para el estudio de los cuásares. El telescopio ruso RATAN-600, utilizado para las observaciones de PKS 1614+051, permite realizar mediciones simultáneas en diferentes frecuencias, lo cual es fundamental para estudiar la variabilidad. El observatorio "Spektr-RG" con el telescopio ART-XC continúa escaneando el cielo, descubriendo nuevos cuásares como SRGA J2306+1556. Los cuásares y blazares no son solo fenómenos cósmicos, sino claves para comprender la historia del Universo. Nos permiten asomarnos a la época en que nacieron las primeras galaxias y estudiar los procesos que formaron el cosmos tal como lo conocemos.

El brillo de los cuásares permite fijar objetos que se encuentran a distancias de miles de millones de años luz. La luz de los cuásares atraviesa el medio intergaláctico e inevitablemente interactúa con la materia que se encuentra en su camino. Estas interacciones dejan huellas únicas en el espectro de radiación, que se convierten en una fuente de datos sobre la composición, la temperatura y la densidad del gas entre las galaxias. Además, las observaciones de los cuásares brindan la oportunidad de investigar la dinámica de la hipotética materia oscura. Una de las herramientas clave para estudiar su estructura es el fenómeno de las lentes gravitacionales, cuando la luz de un cuásar distante se curva bajo la acción de la gravedad de objetos masivos en su camino. Esto crea un efecto en el que la imagen del cuásar se divide en varios componentes o se estira en anillos.

En el futuro, las redes globales de radiotelescopios, como el Event Horizon Telescope, podrán crear imágenes de los jets con una increíble cantidad de detalles, lo que permitirá medir su velocidad y estructura. Además, el desarrollo de tecnologías que utilizan cuásares para la navegación puede abrir nuevas oportunidades para la exploración del espacio profundo.

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