Los agujeros negros supermasivos en el universo temprano desafían las teorías cosmológicas

Representación artística de la brillante región central de un cuásar, una galaxia activa. El agujero negro supermasivo del centro está rodeado por un disco brillante de gas y polvo. El componente de polvo más externo puede oscurecer la vista del interior y brilla principalmente en el rango del infrarrojo medio, luz que puede ser analizada por el Telescopio Espacial James Webb. Un haz de partículas de alta energía emerge al espacio desde las inmediaciones del agujero negro, perpendicular al disco. Copyright: © T. Müller / MPIA

Sorprendentemente, no es de extrañar: el agujero negro ya pesaba más de mil millones de masas solares en el universo primitivo a pesar de su apetito medio.

Al observar las primeras etapas del universo, que tiene 13.800 millones de años, Telescopio espacial James Webb Observó una galaxia tal como existía hace sólo 700 millones de años. la gran explosión. Es desconcertante cómo Agujero negro Los agujeros negros en su centro ya habrían pesado mil millones de masas solares cuando el universo aún estaba en su infancia. Las observaciones de James Webb estaban diseñadas para observar más de cerca el mecanismo de alimentación, pero no encontró nada fuera de lo común. Es evidente que los agujeros negros ya estaban creciendo de forma similar a lo que ocurre hoy. Pero el hallazgo es aún más importante: muestra que los astrónomos saben menos de lo que pensaban sobre cómo se forman las galaxias. Sin embargo, las medidas no decepcionan en absoluto. De lo contrario.

El misterio de los primeros agujeros negros

Los primeros mil millones de años de la historia del universo plantean un gran desafío: los agujeros negros más antiguos conocidos en los centros de las galaxias tenían masas sorprendentemente masivas. ¿Cómo se hizo tan grande tan rápido? Las nuevas observaciones aquí descritas proporcionan pruebas sólidas en contra de algunas de las explicaciones propuestas, especialmente en contra del «modo de alimentación ultraeficiente» de los primeros agujeros negros.

Límites al crecimiento de agujeros negros supermasivos

Las estrellas y galaxias han cambiado drásticamente durante los últimos 13.800 millones de años, la edad del universo. Las galaxias se han hecho más grandes y han ganado más masa, ya sea consumiendo el gas que las rodea o (a veces) fusionándose entre sí. Durante mucho tiempo, los astrónomos supusieron que los agujeros negros masivos 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. El material que cae sobre el agujero negro forma un «disco de acreción» brillante y caliente. Cuando esto sucede alrededor de un agujero negro supermasivo, el resultado es un núcleo galáctico activo. Los más brillantes de estos objetos, conocidos como quásares, se encuentran entre los objetos astronómicos más brillantes de todo el universo. Pero este 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 en tan poco tiempo?

Por eso los astrónomos se sorprendieron cuando las observaciones de quásares distantes durante los últimos 20 años revelaron agujeros negros recién formados, pero su masa alcanzaba los diez mil millones de masas solares. La luz tarda mucho en viajar desde un objeto distante hasta nosotros, por lo que mirar objetos distantes significa mirar hacia el pasado distante. Vemos los quásares conocidos más distantes tal como existían en una era conocida como el «amanecer del universo», menos de mil millones de años después del Big Bang, cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias.

Explicar estos primeros agujeros negros masivos plantea un desafío importante para los modelos actuales de evolución de las galaxias. ¿Podrían los primeros agujeros negros ser 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 llevó a los investigadores a sobreestimar la masa de los primeros agujeros negros? Hay muchas explicaciones propuestas en este momento, pero ninguna es ampliamente aceptada.

Una mirada más cercana al crecimiento inicial de un agujero negro

Determinar qué explicaciones son correctas (si las hay) requiere una imagen más completa de los quásares que la que estaba disponible anteriormente. Con la llegada del Telescopio Espacial James Webb, y específicamente el instrumento de infrarrojo medio MIRI, la capacidad de los astrónomos para estudiar cuásares distantes ha dado un gran salto. Al medir los espectros de quásares distantes, MIRI es aproximadamente 4.000 veces más sensible que cualquier instrumento anterior.

Instrumentos como MIRI son construidos por consorcios internacionales, donde científicos, ingenieros y técnicos trabajan en estrecha colaboración. Naturalmente, el consorcio está muy interesado en comprobar si su herramienta funciona tan bien como estaba previsto. A cambio de construir la herramienta, al consorcio normalmente se le concede una cierta cantidad de tiempo de seguimiento. En 2019, años antes del lanzamiento de JWST, el Consorcio europeo MIRI decidió utilizar parte de ese tiempo para observar el que entonces era el cuásar más distante conocido, un objeto denominado J1120+0641.

Observando uno de los agujeros negros más antiguos

Las observaciones fueron analizadas por la Dra. Sarah Bosman, investigadora postdoctoral en el Instituto Max Planck de Astronomía 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 Boseman que se uniera a la colaboración MIRI específicamente para brindar experiencia sobre cómo utilizar mejor el instrumento para estudiar el universo temprano, especialmente los primeros agujeros negros supermasivos.

Las observaciones se realizaron en enero de 2023, durante el primer ciclo de observaciones del Telescopio James Webb, y duraron aproximadamente dos horas y media. Representa el primer estudio en el infrarrojo medio de un cuásar durante 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 de la luz de un objeto en componentes de diferentes longitudes de onda, similar a un arco iris.

Seguimiento del polvo y el gas que se mueven rápidamente

La forma general del espectro del infrarrojo medio (“continuo”) codifica las características de un gran anillo de polvo que rodea el disco de acreción en los quásares típicos. Este anillo ayuda a dirigir la materia hacia el disco de acreción, «alimentando» el agujero negro. La mala noticia para quienes prefieren resolver el problema de los primeros agujeros negros masivos radica en métodos alternativos de crecimiento rápido: el anillo, y por tanto el mecanismo de alimentación en este quásar tan temprano, parece ser el mismo que el de sus homólogos más modernos. La única diferencia es algo que ningún modelo de rápido crecimiento temprano de los cuásares predijo: la temperatura del polvo es ligeramente más alta, alrededor de cien Kelvins más cálida que los 1.300 Kelvins encontrados en el polvo más caliente de los cuásares menos distantes.

La parte del espectro de longitud de onda más corta, dominada por las emisiones del propio disco de acreción, nos muestra a los observadores distantes que la luz del cuásar no se ve atenuada por más polvo de lo habitual. Los argumentos de que podríamos estar sobreestimando la masa de los primeros agujeros negros debido al polvo adicional tampoco son la respuesta.

Los primeros cuásares son «sorprendentemente normales»

La región con los contornos de un cuásar, donde grupos de gas orbitan alrededor del agujero negro a velocidades cercanas a la de la luz, lo que permite hacer inferencias sobre la masa del agujero negro y la densidad e ionización de la materia circundante, también parece normal. Según casi todas las características que se pueden deducir del espectro, J1120+0641 no se diferencia de los quásares de épocas posteriores.

«En general, las nuevas observaciones 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 estaban completamente “maduros” cuando el universo tenía sólo 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 grandes masas desde el principio, en terminología astronómica: «primordiales» o «masivos». Los agujeros negros supermasivos no se formaron a partir de los restos de las primeras estrellas, sino que crecieron muy rápidamente. Debieron haberse formado temprano con masas iniciales de al menos 100.000 masas solares, tal vez por el colapso de enormes nubes de gas tempranas.

Referencia: “Un cuásar maduro en los albores del universo detectado por espectroscopía infrarroja de marco estacionario JWST” por Sarah E. I. Bosman, Javier Álvarez Márquez, Luis Colina, Fabian Walter, Almudena Alonso Herrero, Martin J. Ward, Goran Östlin, Thomas R. Greif, Gillian Wright, Arjan Beck, Leandert Bogarde, Karina Capote, Luca Constantin, Andreas Eckart, Macarena García Marin, Stephen Gelmann, Jens Hjorth, Edoardo Ianni, Olivier Ilbert, Iris German, Alvaro Labiano, Daniel Langerudi, Florian Biesker, Pierluigi Rinaldi , Martin Topinka, Paul van der Werf, Manuel Godel, Thomas Henning, Pierre-Olivier Lagage, Tom B. Ray, Ewen F. Van Deschock y Bart Vandenbosche, 17 de junio de 2024, astronomía natural.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0