Los científicos encuentran un agujero negro de masa inexplicable mediante las observaciones del telescopio James Webb

Mirando hacia el pasado, quedó claro que la luz de la galaxia llamada J1120+0641 tardó casi tanto tiempo en llegar a la Tierra como el universo tardó en desarrollarse hasta el día de hoy. Es inexplicable cómo el agujero negro en su centro pudo pesar entonces más de mil millones de masas solares, como lo demuestran mediciones independientes

Observaciones recientes del material en las proximidades del agujero negro debían haber revelado un mecanismo de alimentación especialmente eficaz, pero no encontraron nada especial. Este resultado es aún más extraordinario: podría significar que los astrofísicos entienden menos sobre el desarrollo de las galaxias de lo que pensaban. Y, sin embargo, no decepcionan en absoluto.

Estos hallazgos se publican en la revista Nature Astronomy.

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 rápido? Las nuevas observaciones aquí descritas proporcionan 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 un agujero negro supermasivo

Las estrellas y las galaxias han cambiado enormemente durante los últimos 13.800 millones de años, la vida 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 quásares, 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 tan rápidos?

Por eso los astrónomos se sorprendieron cuando, durante los últimos veinte años, las observaciones de quásares 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 lejanos significa mirar hacia el pasado distante. Vemos los quásares 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 es ampliamente aceptada.

Una mirada más cercana al crecimiento temprano de los agujeros negros

Decidir cuál de las explicaciones (si es que hay alguna) es correcta requiere una imagen de los quásares más completa que la que había estado disponible antes. Con la llegada del telescopio espacial JWST, específicamente el instrumento de infrarrojo medio MIRI del telescopio, la capacidad de los astrónomos para estudiar quásares distantes dio un salto gigantesco. Para medir espectros de cuásares distantes, MIRI es 4.000 veces más sensible que cualquier instrumento anterior.

Instrumentos como MIRI son construidos por consorcios internacionales, en los que científicos, ingenieros y técnicos trabajan en estrecha colaboración. Naturalmente, un consorcio está muy interesado en comprobar si su instrumento funciona tan bien como estaba previsto.

A cambio de construir el instrumento, los consorcios normalmente reciben una cierta cantidad de tiempo de observación. En 2019, años antes del lanzamiento del JWST, el Consorcio Europeo 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

El análisis de las observaciones recayó en la Dra. Sarah Bosman, investigadora postdoctoral en el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) y miembro del consorcio europeo MIRI. Las contribuciones del MPIA al instrumento MIRI incluyen la construcción de una serie de partes internas clave. Se pidió a Bosman que se uniera a la colaboración MIRI específicamente para aportar experiencia sobre cómo utilizar mejor el instrumento para estudiar el universo temprano, en particular los primeros agujeros negros supermasivos.

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 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" el agujero negro.

La mala noticia para aquellos cuya solución preferida para los primeros agujeros negros masivos radica en modos alternativos de crecimiento rápido: 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 Kelvin más cálida que los 1.300 K 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 simplemente 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 sólo aumentan el misterio: los primeros quásares eran sorprendentemente normales. No importa en qué longitudes de onda los observemos, los quásares son casi idénticos en todas las épocas del universo", dice Bosman. No sólo los propios agujeros negros supermasivos, sino también sus mecanismos de alimentación aparentemente ya estaban completamente "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" o "sembrados grandes". 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.

Referencia

Sarah E. I. Bosman et al, A mature quasar at cosmic dawn revealed by JWST rest-frame infrared spectroscopy, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0