Un equipo internacional de astrofísicos ha utilizado el Telescopio espacial James Webb (JWST) estudiar uno de los Los agujeros negros más masivos y distantes.a una distancia de 13 mil millones de años luz, cuando el El universo tenía unos 800 millones de años.. Sorprendentemente, el agujero negro se alimenta de la misma manera que los agujeros negros actuales en nuestro entorno cósmico cercano.
Los astrofísicos han estado tratando de explicar cómo estos agujeros negros en las primeras etapas del universo ganan su extraordinaria masa. Los nuevos resultados, publicados en la revista Naturaleza AstronomíaDescartar la existencia de mecanismos exóticos propuestos como posible solución.
Un estudio descarta mecanismos exóticos para explicar cómo los agujeros negros supermasivos en las primeras etapas del universo ganaron su extraordinaria masa
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 rápidos? Estas nuevas observaciones proporcionan pruebas sólidas en contra de algunas explicaciones propuestas, en particular en contra de un modo de alimentación extremadamente eficaz para aumentar la masa de los primeros agujeros negros masivos.
Las estrellas y galaxias han cambiado enormemente durante los últimos 13.800 millones de años, la vida del universo. Las galaxias han crecido y ganado más masa, ya sea consumiendo el gas circundante o (ocasionalmente) fusionándose entre sí. Los astrónomos han asumido durante mucho tiempo que los agujeros negros supermasivos en los centros galácticos habrían crecido gradualmente junto con las propias galaxias.
Agujero negro, AGN y cuásar
Pero el crecimiento de los agujeros negros no puede ser arbitrariamente rápido. La materia que cae sobre ellos forma un “disco de acreción” giratorio, brillante y caliente. Cuando esto sucede alrededor de un agujero negro supermasivoel resultado es un núcleo galáctico activo (AGNpor sus siglas en inglés), del cual se liberan grandes cantidades de energía a partir de la acumulación de ese gas y polvo en el agujero central.
El AGN más luminoso, conocido como cuásares (poderosas fuentes de radiación), 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 una presión que puede evitar que caiga materia adicional.
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 de hasta 10 mil millones de masas solares. La luz necesita tiempo para viajar desde un objeto distante hasta nosotros, por lo que mirar objetos distantes significa mirar hacia el pasado distante.
Cuásares del amanecer cósmico
Vemos los quásares conocidos más distantes tal como eran en una era conocida como “amanecer cósmico”. menos de mil millones de años después del Big Bang, cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias. Explicar estos primeros agujeros negros masivos es 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 hiciera que los investigadores sobreestimaran las masas de los primeros agujeros negros? Hay numerosas explicaciones propuestas en este momento, pero ninguno es ampliamente aceptado.
Decidir qué explicación es correcta requiere un estudio de los quásares más completo que el disponible hasta ahora. Con la llegada del telescopio espacial JWST, específicamente el instrumento de infrarrojo medio MIRI, la capacidad de los astrónomos para estudiar quásares distantes dio un salto gigante.
Él instrumento MIRI Fue construido por un consorcio internacional con la participación de científicos e ingenieros del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA). A cambio de construir el instrumento, el consorcio recibió una cierta cantidad de tiempo de observación. En 2019, años antes del lanzamiento de Webb, el consorcio europeo MIRI decidió utilizar parte de este tiempo para observar el que entonces era el cuásar más distante conocido, un objeto con la designación J1120+0641.
El estudio se llevó a cabo con el instrumento de infrarrojo medio MIRI de Webb y se centró en el cuásar J1120+0641, sólo 770 millones de años después del Big Bang.
El corrimiento al rojo (z) de una fuente de luz ayuda a los astrónomos a deducir su distancia y edad. «Hasta la fecha hay nueve quásares confirmados con desplazamientos al rojo superiores a 7, y J1120 fue el primero en detectarse arriba (z=7,08), pero actualmente hay tres que están más lejos, con desplazamientos entre 7,51 y 7,62 ( unos 700 millones de años desde el comienzo del Big Bang)”, explica uno de los autores, Luis Colinadel Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA).
colina y Álvarez Márquez, también del CAB, fueron los encargados de diseñar la toma de datos del cuásar y su posterior calibración, corrigiendo los efectos instrumentales. El análisis de las observaciones recayó en Sara BosmanInvestigador postdoctoral en el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en estrecha colaboración con científicos españoles.
Espectro en diferentes longitudes de onda.
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 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 una espectro: la descomposición en forma de arco iris de la luz del objeto en componentes de diferentes longitudes de onda.
Un ‘toro’ que no cambia
La forma general del espectro 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 guiar la materia hacia el disco de acreción, “alimentando” el agujero negro. La mala noticia para aquellos cuya solución preferida para los primeros agujeros negros masivos radica en modos alternativos de rápido crecimiento: el toro, y por extensión el mecanismo de alimentación de este quásar tan temprano, parece ser el mismo que el de sus homólogos más modernos.
La única diferencia es una que ningún modelo de rápido crecimiento temprano de los cuásares predijo: una temperatura del polvo ligeramente más alta, unos cien grados Kelvin más cálidos 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, como observadores distantes, la luz del cuásar no se ve atenuada por más polvo de lo habitual. Los argumentos de que podemos estar sobreestimando las masas de los primeros agujeros negros debido al polvo adicional tampoco son la solución.
El 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 deducciones 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 deducir del espectro, J1120+0641 no se diferencia de los quásares de épocas posteriores.
En casi todas las propiedades que se pueden deducir del espectro, J1120+0641 no se diferencia de los cuásares de épocas posteriores.
“En general, las nuevas observaciones sólo aumentan el misterio: el Los primeros cuásares son sorprendentemente normales.. No importa en qué longitudes de onda los observemos, los quásares son casi idénticos en todo momento en el universo”, dice Bosman. No sólo los propios agujeros negros supermasivos, sino también sus mecanismos de alimentación aparentemente ya estaban completamente “maduros” cuando el cosmos tenía sólo el 5% de su edad actual.
Agujeros negros supermasivos primordiales
Al descartar 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 astronómica: que son «primordial» o «gran siembra».
Los agujeros negros supermasivos no se formaron a partir de los restos de las primeras estrellas y luego se volvieron masivos muy rápidamente. Deben haberse formado temprano con masas iniciales de al menos cien mil masas solares, presumiblemente a través del colapso de enormes nubes de gas tempranas, revelan estudios como este.
