Los agujeros negros sorprendentemente masivos del universo primitivo desafían las teorías cósmicas

Impresión 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 visión del interior y brilla predominantemente en el rango del infrarrojo medio, luz que puede ser analizada por el Telescopio Espacial James Webb. Un rayo de partículas de alta energía sale disparado hacia el espacio desde las inmediaciones del agujero negro, perpendicular al disco. Crédito: © T. Müller / MPIA

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

Al observar las primeras etapas del universo de 13.800 millones de años, Telescopio espacial James Webb identificó una galaxia tal como existía apenas 700 millones de años después de la Big Bang. Es tan desconcertante como el agujero negro en su centro ya podía pesar 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 encontraron nada inusual. Al parecer, los agujeros negros ya estaban creciendo de forma similar a como lo hacen hoy. Pero el resultado es aún más significativo: puede demostrar que los astrónomos saben menos de lo que pensaban sobre cómo se forman las galaxias. Y, sin embargo, las medidas no decepcionan en absoluto. En reversa.

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, particularmente en contra de un «modo de energía ultraeficaz» para los primeros agujeros negros.

Los límites al crecimiento de los agujeros negros supermasivos

Las estrellas y galaxias han cambiado enormemente durante los últimos 13.800 millones de años, la duración de la vida del Universo. Las galaxias se han hecho más grandes y han ganado más masa, tanto al consumir el gas circundante como (ocasionalmente) al fusionarse entre sí. Durante mucho tiempo, los astrónomos plantearon la hipótesis de que los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias crecerían gradualmente junto con las propias galaxias.

Pero el crecimiento del agujero negro no puede ser arbitrariamente rápido. La materia que cae sobre un agujero negro forma un «disco de acreción» luminoso, 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, conocidos como quásares, se encuentran entre los objetos astronómicos más brillantes de todo el cosmos. Pero ese brillo limita la cantidad de materia que puede caer sobre el agujero negro: la luz ejerce presión, lo que puede evitar que caiga materia adicional.

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

Por eso los astrónomos se sorprendieron cuando, durante los últimos veinte años, las observaciones de quásares distantes revelaron agujeros negros muy jóvenes que, sin embargo, habían alcanzado masas equivalentes a 10 mil millones de masas solares. La luz necesita tiempo para viajar desde un objeto distante hasta nosotros, por lo que mirar objetos distantes es mirar hacia el pasado distante. Vemos los quásares más distantes conocidos tal como eran en una era conocida como el «amanecer cósmico», menos de mil millones de años después del Big Bang, cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias.

Explicar esos primeros y enormes agujeros negros es un desafío considerable para los modelos actuales de evolución de 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 influir en las estimaciones de la masa de los cuásares de una manera que llevó a los investigadores a sobreestimar las masas de los primeros agujeros negros? Existen numerosas explicaciones propuestas en este momento, pero ninguna que sea ampliamente aceptada.

Una mirada más cercana al crecimiento inicial de los agujeros negros

Decidir qué explicaciones, si las hay, son correctas requiere una imagen de los cuásares más completa que la que estaba disponible anteriormente. Con la llegada del telescopio espacial JWST, en particular el instrumento de infrarrojo medio MIRI del telescopio, la capacidad de los astrónomos para estudiar cuásares distantes ha dado 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 herramienta funciona como se espera. A cambio de construir el instrumento, los consorcios suelen recibir un cierto período de tiempo de observación. En 2019, años antes del lanzamiento del JWST, el consorcio europeo MIRI decidió utilizar parte de este tiempo para observar el que entonces era el quásar más distante conocido, un objeto con la designación J1120+0641.

Observando uno de los primeros agujeros negros

El análisis de las observaciones recayó en la Dra. 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 componentes internos clave. Se pidió a Bosman que se uniera a la colaboración MIRI específicamente para aportar experiencia sobre cómo utilizar mejor el instrumento para estudiar el Universo temprano, en particular los primeros agujeros negros supermasivos.

Las observaciones se realizaron en enero de 2023, durante la primera ronda de observaciones del JWST, y duraron aproximadamente dos horas y media. Constituyen el primer estudio en el infrarrojo medio de un cuásar en 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 en forma de arco iris de la luz del objeto en componentes de diferentes longitudes de onda.

Seguimiento del polvo y el gas 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 en los cuásares típicos. Este toro ayuda a impulsar la materia hacia el disco de acreción, «impulsando» el agujero negro. La mala noticia para aquellos cuya solución preferida a los enormes agujeros negros primitivos radica en modos alternativos de rápido crecimiento: el toro, y por extensión el mecanismo de energía de este quásar tan primordial, parece ser el mismo que el de sus homólogos más modernos. La única diferencia es una que ningún modelo de crecimiento rápido de los primeros quásares ha predicho: una temperatura del polvo ligeramente más alta, unos cien Kelvin más caliente que los 1.300 K encontrados para el polvo más caliente en quásares menos distantes.

La parte de longitud de onda más corta del espectro, dominada por las emisiones del propio disco de acreción, muestra que para nosotros, los observadores distantes, la luz del cuásar no se ve atenuada por más polvo de lo habitual. Los argumentos de que tal vez simplemente estamos sobreestimando las masas de los agujeros negros primitivos debido al polvo adicional tampoco son la solución.

Los primeros cuásares son «increíblemente 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 permite hacer inferencias sobre la masa del agujero negro y la densidad e ionización de la materia circundante, también parece normal. En casi todas las propiedades que se pueden inferir del espectro, J1120+0641 no se diferencia de los quásares de edades posteriores.

«En general, las nuevas observaciones no hacen más que aumentar 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 eras del Universo», afirma 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 grandes». Los agujeros negros supermasivos no se formaron a partir de los restos de las primeras estrellas, sino que se volvieron masivos muy rápidamente. Debieron haberse formado temprano con masas iniciales de al menos cien mil masas solares, presumiblemente a través del colapso de enormes nubes de gas primitivas.

Referencia: “Un cuásar maduro en el amanecer cósmico revelado por espectroscopía infrarroja en 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