28 May Webb investiga el origen de los agujeros negros supermasivos

El telescopio James Webb revela un agujero negro gigante en el Universo temprano, y realiza la primera medición directa de masa, aportando nuevas evidencias al debate sobre el origen de los agujeros negros supermasivos.

 Utilizando la potencia sin precedentes de imagen y espectroscopía del telescopio James Webb, los investigadores han cartografiado el movimiento y la composición del gas que orbita un agujero negro en el centro de Abell2744-QSO1.

Abell2744-QSO1 es una diminuta galaxia situada a más de 13.000 millones de años luz.

Un agujero negro anterior a su galaxia

Los resultados sugieren que este agujero negro, con una masa de 50 millones de soles, es anterior a su galaxia anfitriona. Se formó posiblemente en el primer segundo tras el Big Bang, y debió de ser enorme desde el principio.

Este hallazgo aporta nuevas pistas sobre el origen de los agujeros negros supermasivos, uno de los grandes enigmas de la cosmología moderna.

Un cambio de paradigma

¿Qué apareció primero, la galaxia o el agujero negro? Durante mucho tiempo, los científicos pensaron que era la galaxia.

Las estrellas masivas dentro de una galaxia ya existente consumen su combustible y colapsan para formar agujeros negros, que posteriormente pueden devorar material circundante y fusionarse con otros.

Asi, con el tiempo, crecen hasta convertirse en entidades mucho más masivas.

Sin embargo, resulta difícil explicar cómo agujeros negros con masas de millones o miles de millones de veces la del Sol, de los que ya se han detectado miles en el Universo temprano, pudieron crecer tan rápidamente a partir de semillas tan pequeñas.

Precisamente por ello, el origen de los agujeros negros supermasivos sigue siendo una cuestión abierta para los astrónomos.

Ahora, y gracias al telescopio Webb, un equipo de científicos ha encontrado evidencias claras de que algunos agujeros negros supermasivos ya eran enormes desde el inicio.

Estos agujeros negros se formaron sin una fase previa de colapso estelar y sin necesitar una galaxia anfitriona significativamente más masiva que los alimentara.

«Este es un hallazgo extraordinario», afirma Roberto Maiolino. «Supone un cambio de paradigma, una revisión total de los escenarios clásicos sobre cómo se forman y crecen los agujeros negros».

«Little Red Dot» QSO1

La conclusión del equipo se basa en observaciones detalladas de Abell2744-QSO1 (QSO1), un prototípico «Little Red Dot» que existía apenas 700 millones de años después del Big Bang.

Aunque QSO1 tiene solo 1.300 años luz de diámetro y su luz ha tardado más de 13.000 millones de años en llegar hasta nosotros, es más fácil de estudiar que otros «Little Red Dots».

Efectivamente, al estar amplificada gravitacionalmente por el cúmulo de galaxias Abell 2744, QSO1 aparece magnificada y triplemente reproducida, mostrándose en tres posiciones distintas del cielo.

Los estudios iniciales de QSO1 indicaron que podría ser poco más que una nube de gas brillante de hidrógeno y helio orbitando un agujero negro supermasivo de unos 40 millones de masas solares.

Pero, como ocurre con otros agujeros negros tempranos descubiertos por Webb, existía incertidumbre sobre si el agujero negro en QSO1 realmente era tan masivo como parecía.

«Hasta ahora, todas las mediciones de masa de agujeros negros en el Universo temprano eran indirectas, basadas en supuestos derivados de lo que sabemos de ellos en el Universo local. No sabíamos si esos supuestos eran realmente válidos para el Universo distante», explica Francesco D’Eugenio.

Cartografiando la composición y velocidad del gas

El equipo se dio cuenta de que, si el agujero negro de QSO1 era tan masivo como parecía, podrían usar la unidad de campo integral (IFU) del instrumento NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) del Webb.

Este instrumento permite rastrear los efectos gravitatorios que el agujero negro de QSO1 ejerce sobre el gas que gira a su alrededor y cartografiar la distribución de los distintos elementos químicos presentes.

Ignas Juodžbalis y Cosimo Marconcini, autores principales de uno de los estudios, utilizaron las observaciones IFU para mapear los movimientos del hidrógeno alrededor del agujero negro.

Al representar la velocidad de rotación en función de la distancia al centro, descubrieron que el gas seguía un movimiento kepleriano. Es decir, orbitaba un punto central del mismo modo que los planetas del Sistema Solar orbitan el Sol.

«Esto es importante porque nos indica que la mayor parte de la masa de QSO1 está concentrada en el agujero negro central», explica Juodžbalis. «Si la masa estuviera más distribuida, como ocurriría si hubiera muchas estrellas, el gas no mostraría esta rotación kepleriana tan perfecta».

Primera medición directa de la masa de un agujero negro

Dado que el movimiento kepleriano está gobernado por leyes gravitatorias simples, el equipo pudo utilizar las mediciones de velocidad del gas para calcular directamente la masa del agujero negro, algo que hasta ahora no había sido posible.

Descubrieron así no solo que es inmenso, unos 50 millones de masas solares, sino que además representa aproximadamente dos tercios de la masa total de QSO1.

Esta proporción es miles de veces superior a la observada en galaxias cercanas, donde los agujeros negros supermasivos constituyen solo una fracción diminuta de la masa total de la galaxia anfitriona.

Los mapas de composición obtenidos con la IFU respaldaron estos resultados, mostrando que el gas de QSO1 está compuesto casi exclusivamente por hidrógeno y helio, con muy pocos elementos pesados como el oxígeno.

Estos elementos más pesados son más esperables en una galaxia rica en estrellas y restos estelares. Sin embargo, con una metalicidad inferior al 0,5 % de la solar, QSO1 es uno de los entornos galácticos más prístinos jamás medidos.

«Es un resultado fenomenal», afirma Maiolino. «Se trata de la primera medición directa de la masa de un agujero negro dentro de los primeros mil millones de años tras el Big Bang, y es consistente con mediciones previas».

El equipo considera que esto respalda la validez de las estimaciones indirectas utilizadas hasta ahora y sugiere que las masas de otros agujeros negros del Universo temprano no habían sido sobrestimadas. Todo ello refuerza nuevas hipótesis sobre el origen de los agujeros negros supermasivos.

El origen de los agujeros negros supermasivos

La enorme masa de QSO1 en relación con su galaxia anfitriona apunta a que no pudo formarse gradualmente a partir de agujeros negros estelares mucho más pequeños que se fusionaran y alimentaran entre sí.

«Parece que hemos encontrado un agujero negro sin una galaxia anfitriona sustancial y que precedió a los procesos estelares», afirma Juodžbalis. «Esto es muy emocionante porque constituye evidencia de agujeros negros primordiales o de colapso directo, teorías que se habían planteado, pero no confirmado». 

Tanto si el agujero negro de QSO1 evolucionó a partir de una «semilla pesada» formada durante el primer segundo tras el Big Bang, como si surgió algo más tarde mediante el colapso de una gigantesca nube de gas, casi con total seguridad nació siendo enorme y podría encontrarse en las primeras etapas de construcción de una galaxia a su alrededor.

El equipo cree que «Little Red Dots» como QSO1 no debieron ser raros en el Universo temprano, y ya está analizando objetos similares para determinar si los agujeros negros supermasivos realmente precedieron a las galaxias en las que hoy residen.

Fuente: Webb reveals black hole that formed before its galaxy