Un agujero negro de masa inexplicable: las observaciones de James Webb revelan un cuásar maduro en el amanecer cósmico
El Telescopio Espacial James Webb (JWST) observó una galaxia en una etapa particularmente joven del Universo. Mirando hacia atrás, ha quedado claro que la luz de la galaxia J1120+0641 tardó casi tanto tiempo en llegar a la Tierra como el Universo en desarrollarse hasta el día de hoy.
Es inexplicable cómo el agujero negro en el centro de la galaxia J1120+0641 podría pesar más de mil millones de masas solares en su fase joven , como lo demostraron mediciones independientes. Los resultados de este estudio fueron publicados en la revista Nature Astronomy .
Las recientes observaciones de materia en las proximidades del agujero negro deberían revelar un mecanismo de alimentación particularmente eficaz, pero no encontraron nada especial. Este resultado es aún más extraordinario: puede significar que los astrofísicos saben menos sobre el desarrollo de las galaxias de lo que creían. Y, sin embargo, no están en absoluto en desacuerdo.
Los primeros mil millones de años de la historia cósmica son un desafío: los primeros agujeros negros conocidos en los centros de las galaxias tienen masas sorprendentemente grandes. ¿Cómo se volvieron tan masivos y tan rápido? Las nuevas observaciones aportan pruebas sólidas en contra de algunas explicaciones propuestas, en particular en contra de un "modo de alimentación ultraeficaz" para los primeros agujeros negros.
Los límites del crecimiento de los agujeros negros supermasivos
Las estrellas y galaxias han cambiado de manera bastante significativa en los últimos 13,8 mil millones de años , la vida del Universo. Las galaxias crecieron y adquirieron 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" giratorio, caliente y brillante.
El hecho de que los cuásares sean objetos brillantes puede limitar la cantidad de materia que puede caer sobre el agujero negro.
Cuando esto sucede alrededor de un agujero negro supermasivo, el resultado es un núcleo galáctico activo. Los objetos más brillantes, conocidos como quásares, se encuentran entre los objetos astronómicos más brillantes de todo el cosmos. Pero este brillo limita la cantidad de materia que puede caer sobre el agujero negro: la luz ejerce una presión que puede impedir la entrada de materia adicional .
¿Cómo es que los agujeros negros se volvieron tan masivos y tan rápido?
Por eso los astrónomos se sorprendieron cuando, en los últimos veinte años, las observaciones de cuásares distantes revelaron agujeros negros muy jóvenes que, sin embargo, habían alcanzado masas de hasta 10 mil millones de masas solares .
La luz necesita tiempo para viajar desde un objeto distante hasta nosotros, por lo que mirar objetos distantes significa mirar un pasado distante. Vemos los quásares más distantes conocidos , tal como eran en un momento conocido como el "amanecer cósmico", menos de mil millones de años después del Big Bang, cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias .
Explicar estos primeros agujeros negros masivos es un desafío considerable para los modelos actuales de evolución de galaxias . ¿Fueron los primeros agujeros negros mucho más eficientes a la hora de aumentar el gas que sus homólogos actuales? ¿O puede la presencia de polvo afectar las estimaciones de masa de los quásares de tal manera que los investigadores sobreestimen las masas de los primeros agujeros negros? Actualmente, existen numerosas explicaciones propuestas, pero ninguna es ampliamente aceptada .
Observación de uno de los agujeros negros más antiguos
El análisis de las observaciones estuvo a cargo de la Dra. Sarah Bosman , investigadora postdoctoral en el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) y miembro del consorcio europeo MIRI. Los aportes del MPIA al instrumento MIRI incluyen la construcción de una serie de partes internas importantes .
A Bosman se le pidió que se uniera a la colaboración MIRI específicamente para aportar conocimiento especializado sobre cómo utilizar mejor el instrumento para estudiar el universo primitivo , en particular los primeros agujeros negros supermasivos.
Las observaciones se realizaron en enero de 2023, durante el primer ciclo de observaciones del JWST , y duraron unas dos horas y media. Se trata del primer estudio en el infrarrojo medio de un cuásar en el periodo de la aurora cósmica, apenas 770 millones de años después del Big Bang . La información no procede de una imagen, sino de un espectro: la descomposición arcoíris de la luz del objeto en componentes de distintas longitudes de onda.
"En general, las nuevas observaciones no hacen más que aumentar el misterio: los primeros cuásares eran sorprendentemente normales. Independientemente de las longitudes de onda en las que los observemos, los cuásares son prácticamente idénticos en todas las épocas del Universo", afirma Bosman.
Al parecer, no sólo los agujeros negros supermasivos, sino también sus mecanismos de alimentación ya estaban completamente "maduros" cuando el Universo tenía sólo el 5% de su edad actual.
Al excluir una serie de soluciones alternativas, los resultados apoyan firmemente la idea de que los agujeros negros supermasivos comenzaron desde el principio con masas considerables , en la jerga de la astronomía: que son "primordiales" o "cerdas grandes".
Los agujeros negros supermasivos no se formaron a partir de los restos de estrellas primitivas, que luego se volvieron masivas 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.
Referencia de noticias :
Bosman, S., Álvarez-Márquez, J., Colina, L. et al. Un cuásar maduro en el amanecer cósmico revelado por espectroscopia infrarroja en el marco de reposo del JWST . Nature Astronomy (2024).