Los agujeros negros supermasivos parecen estar presentes en el centro de cada galaxia y se remontan a algunas de las primeras galaxias del Universo. Y no tenemos idea de cómo llegaron allí. No debería serles posible pasar de restos de supernovas a tamaños supermasivos tan rápido como lo hacen. Y no conocemos ningún otro mecanismo que pueda formar algo lo suficientemente grande como para que un crecimiento extremo no sea necesario.

La aparente imposibilidad de que existieran agujeros negros supermasivos en el Universo temprano ya planteaba un problema; El telescopio espacial James Webb no ha hecho más que empeorar las cosas al descubrir ejemplos cada vez más antiguos de galaxias con agujeros negros supermasivos. En el último ejemplo, los investigadores utilizaron Webb para caracterizar un cuásar impulsado por un agujero negro supermasivo tal como existía unos 750 millones de años después del Big Bang. Y parece increíblemente normal.

retroceder en el tiempo

Los cuásares son los objetos más brillantes del Universo, impulsados ​​por agujeros negros supermasivos. La galaxia que los rodea les proporciona suficiente material para formar brillantes discos de acreción y potentes chorros, los cuales emiten grandes cantidades de radiación. A menudo están parcialmente envueltos en polvo, que brilla al absorber parte de la energía emitida por el agujero negro. Estos quásares emiten tanta radiación que acaban expulsando por completo parte de la materia cercana a la galaxia.

Así, la presencia de estas características en el Universo temprano nos diría que los agujeros negros supermasivos no sólo estaban presentes en el Universo temprano, sino que también estaban incrustados dentro de galaxias como lo están en tiempos más recientes. Pero fue muy difícil estudiarlos. Para empezar, no hemos identificado muchos; Sólo quedan nueve quásares anteriores a eso, cuando el Universo tenía 800 millones de años. Debido a esta distancia, las características son difíciles de resolver y el corrimiento al rojo causado por la expansión del Universo captura la intensa radiación ultravioleta de muchos elementos y la extiende profundamente hacia el infrarrojo.

Sin embargo, el telescopio Webb fue diseñado específicamente para detectar objetos en el Universo temprano al ser sensible a las longitudes de onda infrarrojas donde aparece esta radiación. Así, la nueva investigación se basa en señalar al Webb el primero de los primeros nueve cuásares descubiertos, J1120+0641.

Y parece… notablemente normal. O al menos, un poco como los quásares de periodos más recientes de la historia del Universo.

Generalmente normal

Los investigadores analizan la continuidad de la radiación producida por el cuásar y encuentran indicios claros de que está incrustado en una rosquilla de material caliente y polvoriento, como se vio en los cuásares posteriores. Este polvo es ligeramente más caliente que en algunos quásares más recientes, pero esto parece ser una característica común de estos objetos en las primeras etapas de la historia del Universo. La radiación de un disco de acreción también es evidente en el espectro de emisión.

Varias formas de estimar los valores producidos en masa del agujero negro en el área 10⁹ veces la masa del Sol, colocándolo claramente en territorio de agujero negro supermasivo. También hay evidencia, a partir de un ligero desplazamiento hacia el azul de parte de la radiación, de que el cuásar está arrojando material a unos 350 kilómetros por segundo.

Hay algunas rarezas. La primera es que el material también parece caer hacia el interior a una velocidad de unos 300 kilómetros por segundo. Esto podría deberse a la rotación de la materia en el disco de acreción. Pero si ese es el caso, debería corresponder a material que gira hacia nosotros desde el lado opuesto del disco. Esto se ha observado repetidamente en los primeros quásares, pero los investigadores admiten que «el origen físico de este efecto es desconocido».

Una opción que sugieren como explicación es que todo el cuásar está en movimiento, desplazado de su posición en el centro de la galaxia por una fusión anterior con otro agujero negro supermasivo.

La otra rareza es que también hay una salida muy rápida de carbono altamente ionizado, moviéndose aproximadamente dos veces más rápido que en los quásares posteriores. Esto ya se ha visto antes, pero tampoco hay explicación.

¿Cómo ha ocurrido?

A pesar de sus rarezas, este objeto se parece mucho a los quásares de tiempos más recientes: «Nuestras observaciones demuestran que las complejas estructuras del toro de polvo y del [accretion disk] puede establecerse alrededor de un [supermassive black hole] Menos de 760 millones de años después del Big Bang. »

Y nuevamente, esto plantea un pequeño problema ya que indica la presencia de un agujero negro supermasivo incrustado en su galaxia anfitriona muy temprano en la historia del Universo. Para alcanzar los tamaños aquí observados, los agujeros negros chocan con el llamado límite de Eddington, es decir, la cantidad de materia que pueden absorber antes de que la radiación así producida expulse la materia vecina, cortando así el suministro de alimento del agujero negro.

Esto sugiere dos opciones. La primera es que estos objetos han estado ingiriendo material mucho más allá del límite de Eddington durante la mayor parte de su historia, algo que no hemos observado y que no es en absoluto cierto para este quásar. La otra opción es que empezaran masivamente (alrededor de 10⁴ veces la masa del Sol) y continuó alimentándose a un ritmo más razonable. Pero no sabemos realmente cómo se pudo formar algo tan grande.

Así pues, el Universo primitivo sigue siendo un lugar bastante confuso.

Astronomía Natural, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 (Acerca de los DOI).