Webb de la NASA revela un agujero negro que se formó antes de su galaxia

¿Qué viene primero, la galaxia o el agujero negro? No lo sabemos, pero los científicos han pensado durante mucho tiempo que podría ser la galaxia: las estrellas grandes dentro de una galaxia existente consumen su combustible y colapsan para formar agujeros negros, que pueden devorar el material circundante y fusionarse con el tiempo para formar entidades más masivas.

Pero es difícil entender cómo los agujeros negros de millones a miles de millones de veces la masa del Sol, miles de los cuales ya han sido detectados en el universo primitivo, pudieron haber crecido tan rápidamente a partir de semillas tan pequeñas.

Ahora, investigadores que utilizan el telescopio espacial James Webb de la NASA han detectado evidencia clara de que algunos agujeros negros supermasivos fueron enormes desde el principio, se formaron sin una fase de colapso estelar y sin una galaxia anfitriona significativamente más masiva que los alimentara.

«Este es un hallazgo notable», dijo Roberto Maiolino de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, coautor de estudios publicados en Nature y Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. «Es un cambio de paradigma, una revisión total de los escenarios clásicos de cómo se forman y crecen los agujeros negros».

La conclusión del equipo se basa en observaciones detalladas de Abell2744-QSO1 (QSO1), un pequeño punto rojo prototípico que existió apenas 700 millones de años después del Big Bang.

Aunque QSO1 tiene sólo 1.300 años luz de diámetro y su luz ha estado viajando durante más de 13 mil millones de años, es más fácil de estudiar que la mayoría de los otros Pequeños Puntos Rojos porque está lentemente gravitacionalmente por el cúmulo de galaxias Abell 2744 (Cúmulo de Pandora). QSO1 está ampliado y fotografiado tres veces, apareciendo en tres lugares diferentes del cielo.

Los estudios iniciales de QSO1 revelaron pruebas convincentes de que puede ser poco más que una nube de hidrógeno y helio incandescentes que giran alrededor de un agujero negro supermasivo estimado en 40 millones de veces la masa del Sol. Pero al igual que con otros agujeros negros tempranos descubiertos por Webb, existía incertidumbre sobre si realmente era tan masivo.

«Hasta ahora, todas las mediciones de masa de los agujeros negros en el universo temprano han sido indirectas, basadas en suposiciones de lo que sabemos sobre ellos en el universo local. No sabíamos si esas suposiciones realmente se aplican al universo distante», dijo el coautor Francesco D’Eugenio, también de la Universidad de Cambridge.

El equipo reconoció que si el agujero negro de QSO1 es tan masivo como parece, deberían poder utilizar la unidad de campo integral (IFU) del NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) de Webb para rastrear los efectos de su gravedad en el gas que gira a su alrededor, al mismo tiempo que mapea la distribución de varios elementos en el gas.

El estudiante graduado de Cambridge Ignas Juodžbalis y Cosimo Marconcini de la Universidad de Florencia, autores principales de uno de los estudios, utilizaron las observaciones de IFU para mapear los movimientos del gas hidrógeno que rodea el agujero negro. Cuando trazaron la velocidad de rotación en función de la distancia desde el centro, descubrieron que el gas tiene movimiento kepleriano: orbita un punto central de la misma manera que los planetas de nuestro sistema solar orbitan alrededor del Sol.

«Esto es importante porque nos dice que la mayor parte de la masa de QSO1 se concentra en el agujero negro del centro», dijo Juodžbalis. «Si la masa estuviera más distribuida, como sería si hubiera muchas estrellas, el gas no tendría esta rotación kepleriana perfecta».

Dado que el movimiento kepleriano se rige por leyes simples de la gravedad, el equipo pudo utilizar las mediciones de la velocidad del gas para calcular directamente la masa del agujero negro, una hazaña que antes no había sido posible.

Descubrieron que el agujero negro no sólo es inmenso (aproximadamente 50 millones de masas solares), sino que constituye, como mínimo, unos sorprendentes dos tercios de la masa total de QSO1. Esta proporción es miles de veces mayor que en las galaxias cercanas, donde los agujeros negros supermasivos constituyen sólo una pequeña fracción de la masa total de la galaxia anfitriona.

Los mapas de composición IFU respaldaron estos resultados, mostrando que el gas en QSO1 es casi en su totalidad hidrógeno y helio, con muy poco de los elementos más pesados ​​como el oxígeno que se esperaría en una galaxia rica en estrellas y desechos estelares. Con una metalicidad inferior al 0,5% de la del Sol, QSO1 es uno de los entornos galácticos más prístinos jamás medidos.

«Este es un resultado fenomenal», dijo Maiolino. «Es la primera medición directa de la masa de un agujero negro dentro de los primeros mil millones de años después del Big Bang, y es consistente con mediciones anteriores». El equipo cree que esto es una buena señal de que las suposiciones utilizadas para las mediciones indirectas de masa son válidas y de que las masas de otros agujeros negros en el universo primitivo no han sido sobreestimadas.

La enorme masa de QSO1 en relación con su galaxia anfitriona sugiere que no puede haberse formado gradualmente a partir de agujeros negros de masa estelar mucho más pequeños que se fusionaron y alimentaron. «Parece que hemos encontrado un agujero negro que no tiene una galaxia anfitriona importante y que es anterior a los procesos estelares», dijo Juodžbalis. «Esto es muy emocionante porque es evidencia de agujeros negros primordiales o agujeros negros de colapso directo, que han sido teorizados pero no confirmados».

Ya sea que el agujero negro de QSO1 evolucionó a partir de una “semilla pesada” que se formó en el primer segundo del Big Bang o algo más tarde a partir del colapso de una nube gigante de gas, es casi seguro que nació grande y puede estar en las primeras etapas de construcción de una galaxia a su alrededor.

El equipo cree que los pequeños puntos rojos como QSO1 no pueden haber sido raros en el universo temprano, y está en el proceso de analizar objetos similares para descubrir si los agujeros negros supermasivos en realidad son anteriores a las galaxias donde residen actualmente.

El Telescopio Espacial James Webb es el principal observatorio científico espacial del mundo. Webb está resolviendo misterios en nuestro sistema solar, mirando más allá, hacia mundos distantes alrededor de otras estrellas, y explorando las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional liderado por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la CSA (Agencia Espacial Canadiense).

Para obtener más información sobre Webb, visite:

https://science.nasa.gov/webb

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