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En 1929, Edwin Hubble publicó observaciones de que las distancias y velocidades de las galaxias están correlacionadas, y que las distancias se determinan mediante sus estrellas cefeidas. La astrónoma de Harvard Henrietta Swan Leavitt había descubierto que una estrella cefeida varía periódicamente con un periodo que está relacionado con su luminosidad intrínseca. Ella calibró el efecto, y cuando Hubble comparó esos valores calculados con sus luminosidades observadas pudo determinar sus distancias. Pero, incluso hoy en día, sólo pueden estudiarse de este modo las estrellas cefeidas situadas en galaxias relativamente cercanas.Para ampliar la escala de distancias a épocas anteriores de la historia cósmica, los astrónomos han recurrido a las supernovas (SN) -las muertes explosivas de estrellas masivas-, que pueden verse a distancias mucho mayores. Comparando el brillo observado de una SN con su brillo intrínseco, basado en su clasificación, los astrónomos pueden determinar su distancia; comparando esto con la velocidad de la galaxia anfitriona (su corrimiento al rojo, medido espectroscópicamente) se obtiene la "relación de Hubble" que relaciona la velocidad de la galaxia con su distancia. Las supernovas más fiables para este propósito, debido a su uniformidad cósmica, son las denominadas "Tipo Ia", que se consideran "velas estándar", todas con el mismo brillo intrínseco. Sin embargo, incluso las SN son más difíciles de estudiar de este modo a medida que se alejan; hasta la fecha, la SN de tipo Ia más distante con una determinación fiable de la velocidad data de una época de unos 3.000 millones de años después del big bang.
Los astrónomos del CfA Susanna Bisogni, Francesca Civano, Martin Elvis y Pepi Fabbiano y sus colegas proponen utilizar los cuásares como nueva vela estándar. Los cuásares más lejanos que se conocen han sido detectados en una época de sólo setecientos millones de años después del Big Bang, lo que amplía drásticamente el rango de desplazamientos al rojo de las velas estándar. Otra ventaja de los cuásares es que en los últimos años se han descubierto cientos de miles de ellos. Además, los procesos físicos de los cuásares son diferentes a los de las SN, por lo que proporcionan medidas completamente independientes de los parámetros cosmológicos.
El nuevo esquema propuesto por los astrónomos se basa en el descubrimiento de que las emisiones de rayos X y ultravioleta de los cuásares están estrechamente correlacionadas. En el corazón de un cuásar hay un agujero negro supermasivo rodeado por un disco muy caliente de material en acreción que emite en el ultravioleta. El disco, a su vez, está rodeado de gas caliente con electrones que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz, y cuando los fotones ultravioletas se encuentran con estos electrones, su energía se eleva a los rayos X. El equipo, basándose en sus métodos anteriores, analizó las mediciones de rayos X de 2.332 cuásares distantes en el nuevo Catálogo de Fuentes Chandra y las comparó con los resultados en ultravioleta del Sloan Digital Sky Survey. Descubrieron que la estrecha correlación ya conocida entre la luminosidad ultravioleta y de rayos X de los cuásares locales continúa en los cuásares lejanos, hasta el 85% de la edad del Universo, haciéndose aún más estrecha en épocas anteriores. La implicación es que estas dos cantidades pueden determinar la distancia de cada cuásar, y esas distancias pueden utilizarse para probar los modelos cosmológicos. Si los resultados se confirman, proporcionarán a los astrónomos una nueva y espectacular herramienta con la que medir las propiedades del universo en evolución.
Fuentes, créditos y referencias:
Susanna Bisogni et al, The Chandra view of the relation between X-ray and UV emission in quasars, arXiv:2109.03252v1 [astro-ph.GA] arxiv.org/abs/2109.03252
Imágen: El cuásar 3C 273 con su chorro, visto por el Observatorio de rayos X Chandra. Los astrónomos han descubierto que las luminosidades en rayos X y ultravioleta de los cuásares están tan estrechamente correlacionadas, incluso en el caso de cuásares situados a grandes distancias cosmológicas, que los cuásares pueden utilizarse como nuevas "velas estándar" para ayudar a determinar las distancias cósmicas y sondear otros parámetros cosmológicos fundamentales. Crédito: Observatorio de rayos X Chandra