Un equipo internacional de astrofísicos ha utilizado el telescopio espacial James Webb (JWST) para estudiar uno de los agujeros negros más masivos y distantes en el universo, a una distancia de unos 13.000 millones de años-luz, o sea visto tal como era hace 13.000 millones de años, cuando el universo tenía tan solo unos 800 millones de años.
Lo descubierto revela que, sorprendentemente, el agujero negro se alimenta de la misma forma que agujeros negros actuales en el universo cercano.
El estudio es obra de un equipo internacional con una importante participación de científicos del Centro de Astrobiología (CAB), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), en España todas estas entidades.
Los primeros mil millones de años de la historia cósmica plantean un desafío: los primeros agujeros negros conocidos en los centros de las galaxias tienen masas sorprendentemente grandes. ¿Cómo se volvieron tan masivos y tan deprisa? Las observaciones del nuevo estudio proporcionan pruebas sólidas en contra de algunas explicaciones propuestas, en particular en contra de un modo de alimentación extremadamente efectivo para incrementar la masa de los primeros agujeros negros masivos en el universo.
Los límites del crecimiento de un agujero negro supermasivo
Las estrellas y las galaxias han cambiado enormemente durante los últimos 13.800 millones de años, la edad del universo. Las galaxias han crecido y adquirido más masa, ya sea consumiendo el gas circundante o (ocasionalmente) fusionándose entre sí. Durante mucho tiempo, los astrónomos supusieron que los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias habrían crecido gradualmente junto con las propias galaxias. Pero el crecimiento de los agujeros negros no puede ser arbitrariamente rápido. La materia que cae sobre un agujero negro forma un disco de acreción brillante, caliente y giratorio. Cuando esto sucede alrededor de un agujero negro supermasivo, el resultado es un núcleo galáctico activo. Los objetos más brillantes, conocidos como cuásares, se encuentran entre los objetos astronómicos más brillantes de todo el cosmos. Pero ese brillo limita la cantidad de materia que puede caer sobre el agujero negro: la luz ejerce una presión que puede evitar que caiga materia adicional.
¿Cómo es que los agujeros negros se volvieron tan masivos y con tanta rapidez?
Por eso los astrónomos se sorprendieron cuando, durante los últimos veinte años, las observaciones de cuásares distantes revelaron agujeros negros muy jóvenes que, sin embargo, habían alcanzado masas de hasta 10.000 millones de masas solares. La luz necesita tiempo para viajar desde un objeto distante hasta nosotros, por lo que mirar objetos lejanos significa mirar hacia el pasado distante. Vemos los cuásares conocidos más distantes tal como eran en una era conocida como “amanecer cósmico”, menos de mil millones de años después del Big Bang, cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias. Explicar esos primeros agujeros negros masivos es un desafío considerable para los modelos actuales de evolución de las galaxias. ¿Podría ser que los primeros agujeros negros fueran mucho más eficientes a la hora de acumular gas que sus homólogos modernos? ¿O podría la presencia de polvo afectar las estimaciones de la masa de los cuásares de una manera que hiciera que los investigadores sobreestimaran las masas de los primeros agujeros negros? Hay numerosas explicaciones propuestas en este momento, pero ninguna está ampliamente aceptada.
Una mirada más cercana al crecimiento temprano de los agujeros negro
Decidir cuál de las explicaciones es correcta requiere un estudio de los cuásares más completo que la que había estado disponible hasta ahora. Con la llegada del telescopio espacial JWST, específicamente el instrumento de infrarrojo medio MIRI, la capacidad de los astrónomos para estudiar cuásares distantes dio un salto gigantesco. El instrumento MIRI fue construido por un consorcio internacional con la participación de los científicos e ingenieros del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA). A cambio de construir el instrumento, el consorcio recibió una cierta cantidad de tiempo de observación. En 2019, años antes del lanzamiento del JWST, el Consorcio Europeo de MIRI decidió utilizar parte de este tiempo para observar el que entonces era el cuásar más distante conocido, un objeto que lleva la designación J1120+0641.
Observando uno de los primeros agujeros negros
Luis Colina y Javier Álvarez Márquez del CAB se encargaron de diseñar la toma de datos del cuásar y de su posterior calibración, corrigiendo los efectos instrumentales. El análisis de las observaciones recayó en Sarah Bosman, investigadora postdoctoral en el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) de Alemania en colaboración estrecha con los científicos del CAB. Las observaciones se llevaron a cabo en enero de 2023, durante el primer ciclo de observaciones del JWST, y duraron aproximadamente dos horas y media. Constituyen el primer estudio en el infrarrojo medio de un cuásar en el período del amanecer cósmico, apenas 770 millones de años después del Big Bang (desplazamiento al rojo z=7). La información no proviene de una imagen, sino de un espectro: la descomposición en forma de arco iris de la luz del objeto en componentes de diferentes longitudes de onda.
Rastreando polvo y gas en rápido movimiento
La forma general del espectro del infrarrojo medio ("continuo") codifica las propiedades de un gran toro (un toroide) de polvo que rodea el disco de acreción en los cuásares típicos. Este toro ayuda a guiar la materia hacia el disco de acreción, alimentando al agujero negro. La mala noticia para aquellos cuya solución preferida para los primeros agujeros negros masivos radica en modos alternativos de crecimiento rápido es que el toro, y por extensión el mecanismo de alimentación en este cuásar muy temprano, parece ser el mismo que el de sus homólogos más modernos. La única diferencia es una que ningún modelo de rápido crecimiento temprano de los cuásares predijo: una temperatura del polvo algo más alta, alrededor de cien grados centígrados más cálida que los aproximadamente 1.000 grados encontrados para el polvo más caliente en los cuásares menos distantes. La parte del espectro de longitud de onda más corta, dominada por las emisiones del propio disco de acreción, muestra que para nosotros, como observadores distantes, la luz del cuásar no se ve atenuada por más polvo de lo habitual. Los argumentos de que tal vez estemos sobreestimando las masas de los primeros agujeros negros debido al polvo adicional tampoco son la solución.
Los primeros cuásares son “sorprendentemente normales”
La región de línea ancha del cuásar, donde grupos de gas orbitan alrededor del agujero negro a velocidades cercanas a la de la luz, lo que permite deducciones sobre la masa del agujero negro y la densidad e ionización de la materia circundante, también parece normal.
En casi todas las propiedades que se pueden deducir del espectro, J1120+0641 no se diferencia de los cuásares de épocas posteriores.
“En general, las nuevas observaciones solo aumentan el misterio: los primeros cuásares son sorprendentemente normales. No importa en qué longitudes de onda los observemos; los cuásares son casi idénticos en todas las épocas del universo”, afirma Bosman. No solo los propios agujeros negros supermasivos, sino también sus mecanismos de alimentación aparentemente ya eran del todo maduros cuando el universo tenía apenas el 5% de su edad actual.
Al descartar una serie de soluciones alternativas, los resultados apoyan firmemente la idea de que los agujeros negros supermasivos comenzaron con masas considerables desde el principio, en la jerga de la astronomía: que son primordiales. Los agujeros negros supermasivos no se formaron a partir de los restos de las primeras estrellas y luego se volvieron masivos muy rápidamente. Debieron haberse formado temprano con masas iniciales de al menos cien mil masas solares, presumiblemente a través del colapso de enormes nubes de gas tempranas. NCYT
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