Sorprendentemente poco espectacular: el agujero negro ya pesaba más de mil millones de masas solares en el universo primitivo, a pesar de un apetito mediocre.

Al observar las primeras etapas del universo de 13.800 millones de años, Telescopio espacial James Webb Descubrió una galaxia tal como existía sólo 700 millones de años después de la Big BangEs sorprendente ver cómo el agujero negro En su centro, el núcleo ya podía pesar mil millones de masas solares cuando el universo aún estaba en su infancia. Las observaciones de James Webb tenían como objetivo examinar más de cerca el mecanismo de alimentación, pero no revelaron nada extraordinario. Al parecer, los agujeros negros ya estaban creciendo de la misma forma que hoy. Pero el resultado es aún más significativo: podría demostrar que los astrónomos saben menos de lo que pensaban sobre la formación de galaxias. Y, sin embargo, las medidas no son en absoluto decepcionantes. Al contrario.

El misterio de los primeros agujeros negros

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, incluido un «modo de energía ultraeficiente» para los primeros agujeros negros.

Límites al crecimiento de agujeros negros supermasivos

Las estrellas y las galaxias han cambiado enormemente durante los últimos 13.800 millones de años, la vida del Universo. Las galaxias crecieron y ganaron 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 un agujero negro 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 de este tipo, llamados 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 evitar que caiga materia adicional en su interior.

¿Cómo es que los agujeros negros se volvieron tan masivos y tan rápidos?

Por esta razón, los astrónomos se han sorprendido al ver, durante los últimos veinte años, observaciones de quásares distantes que han revelado agujeros negros muy jóvenes, cuya masa alcanza, sin embargo, los 10 mil millones de masas solares. La luz necesita tiempo para viajar desde un objeto distante hasta nosotros. Por tanto, observar objetos distantes equivale a sumergirse en el pasado lejano. Vemos los quásares más distantes conocidos tal como eran durante una era llamada “amanecer cósmico”, menos de mil millones de años después del Big Bang, cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias.

Explicar la formación de estos primeros agujeros negros masivos representa 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 llevó a los investigadores a sobreestimar la masa de los primeros agujeros negros? Actualmente se han propuesto muchas explicaciones, pero ninguna ha sido ampliamente aceptada.

Una mirada más cercana al crecimiento inicial de los agujeros negros

Para determinar cuál de las explicaciones es correcta, necesitamos una imagen de los quásares más completa de la que existe hasta ahora. Con la llegada del telescopio espacial JWST, y específicamente su instrumento MIRI de infrarrojo medio, la capacidad de los astrónomos para estudiar quásares distantes dio un salto gigante. Para medir los espectros de quásares 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 se espera. A cambio de construir el instrumento, los consorcios generalmente reciben algo de tiempo de observación. En 2019, años antes del lanzamiento del JWST, el consorcio europeo MIRI decidió utilizar parte de ese tiempo para observar el que entonces era el quásar más distante conocido, un objeto que lleva la designación J1120+0641.

Observación de uno de los primeros agujeros negros.

El análisis de las observaciones fue confiado a 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. Sarah Bosman fue invitada a unirse a la colaboración MIRI específicamente para aportar su experiencia sobre la mejor manera de utilizar 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 quásar en el amanecer cósmico, es decir, sólo 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 del objeto en el arco iris en componentes de diferentes longitudes de onda.

Seguimiento de polvo y gases que se mueven rápidamente

La forma general del espectro del infrarrojo medio («continuo») codifica las propiedades de un gran toro de polvo que rodea el disco de acreción de los quásares típicos. Este toro ayuda a guiar la materia hacia el disco de acreción, “alimentando” el agujero negro. La mala noticia para quienes prefieren modos alternativos de crecimiento rápido a los primitivos agujeros negros masivos: el toro, y por extensión el mecanismo de energía de este quásar primitivo, parece ser el mismo que el de sus homólogos más modernos. La única diferencia es una que ningún modelo de rápido crecimiento de los primeros quásares había predicho: una temperatura del polvo ligeramente superior, de unos cien grados Kelvin, a los 1.300 K encontrados para el polvo de quásar más caliente y menos distante.

La partie du spectre à longueur d'onde plus courte, dominée par les émissions du disque d'accrétion lui-même, montre que pour nous, observateurs distants, la lumière du quasar n'est pas atténuée par une quantité de poussière plus importante que en general. Los argumentos de que simplemente podemos estar sobreestimando la masa de los agujeros negros primitivos debido al polvo extra tampoco son la respuesta.

Los primeros quásares “sorprendentemente normales”

La región de línea ancha del cuásar, donde grupos de gas orbitan alrededor del agujero negro a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, lo que nos permite inferir la masa del agujero negro, la densidad y la ionización de la materia que lo rodea, también parece normal. Según casi todas las propiedades deducidas del espectro, J1120+0641 no se diferencia de los quásares de épocas posteriores.

“En general, las nuevas observaciones no hacen más que aumentar el misterio: los primeros quásares eran sorprendentemente normales. Independientemente de la longitud de onda en la que los observemos, los quásares son casi idénticos en todo momento en el Universo”, explica Bosman. No sólo los propios agujeros negros supermasivos, sino también sus mecanismos de energía aparentemente ya estaban completamente «maduros» cuando el Universo tenía sólo el 5% de su edad actual. Descartando 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 en masa». Los agujeros negros supermasivos no se formaron a partir de restos de estrellas primitivas, sino que se volvieron masivos muy rápidamente. Debieron haberse formado muy temprano con masas iniciales de al menos cien mil masas solares, probablemente por el colapso de primitivas nubes de gas masivas.

Referencia: “Un cuásar maduro en el amanecer cósmico revelado por espectroscopia infrarroja en el marco de reposo JWST” por Sarah EI Bosman, Javier Álvarez-Márquez, Luis Colina, Fabian Walter, Almudena Alonso-Herrero, Martin J. Ward, Göran Östlin, Thomas R Greve, Gillian Wright, Arjan Bik, Leindert Boogaard, Karina Caputi, Luca Costantin, Andreas Eckart, Macarena García-Marín, Steven Gillman, Jens Hjorth, Edoardo Iani, Olivier Ilbert, Iris Jermann, Alvaro Labiano, Danial Langeroodi, Florian Peißker, Pierluigi Rinaldi, Martin Topinka, Paul van der Werf, Manuel Güdel, Thomas Henning, Pierre-Olivier Lagage, Tom P. Ray, Ewine F. van Dishoeck y Bart Vandenbussche, 17 de junio de 2024. astronomía natural.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0