Ilustración de un agujero negro
Ciencia
¿Qué fue primero, la galaxia o el agujero negro? Un equipo reabre la paradoja cósmica del huevo y la gallina
Gracias al telescopio espacial James Webb, los investigadores han detectado pruebas observacionales claras de que algunos agujeros negros supermasivos fueron enormes desde el principio, formándose sin pasar por una fase de colapso estelar
Un equipo internacional de investigadores liderado por la Universidad de Cambridge y que utiliza el telescopio espacial James Webb ha detectado pruebas observacionales claras de que algunos agujeros negros supermasivos fueron enormes desde el principio, formándose sin pasar por una fase de colapso estelar y sin una galaxia anfitriona significativamente más masiva que los alimentara.
«Este es un hallazgo extraordinario», declaró el profesor Roberto Maiolino, del Laboratorio Cavendish de Cambridge y del Instituto Kavli de Cosmología, coautor de dos estudios publicados en Nature y en las Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. «Representa una revisión completa de los escenarios clásicos sobre cómo se forman y crecen los agujeros negros».
Los investigadores llegaron a esta conclusión basándose en observaciones detalladas de Abell2744-QSO1 (QSO1), un pequeño punto rojo prototípico que existió tan solo 700 millones de años después del Big Bang.
Aunque QSO1 se encuentra a más de 13 mil millones de años luz de distancia y tiene solo 1.300 años luz de diámetro, es más fácil de estudiar que la mayoría de los demás puntos rojos celestes porque la lente gravitacional del cúmulo de galaxias Abell 2744 (Cúmulo de Pandora) lo afecta. QSO1 se ve amplificado y aparece en tres ubicaciones diferentes del cielo.
Los estudios iniciales de QSO1 revelaron indicios de que podría tratarse de poco más que una nube de hidrógeno y helio incandescentes que orbita un agujero negro supermasivo, cuya masa se estimaba en el orden de 40 millones de veces la del Sol. Sin embargo, al igual que con otros agujeros negros primitivos descubiertos por el telescopio Webb, existía incertidumbre sobre si realmente era tan masivo.
Punto rojo observado por el telescopio espacial James Webb
«Hasta ahora, todas las mediciones de masa de los agujeros negros en el universo primitivo han sido indirectas, basadas en suposiciones a partir de lo que sabemos sobre ellos en el universo local», dijo el coautor Dr. Francesco D'Eugenio, también del Laboratorio Cavendish de Cambridge y del Instituto Kavli de Cosmología. «No sabíamos si esas suposiciones realmente se aplicaban al universo distante», dijo.
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 espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) del telescopio Webb para rastrear los efectos de la gravedad del agujero negro sobre el gas que gira a su alrededor, al tiempo que mapean la distribución de varios elementos en el gas.
«Esto es importante porque nos indica que la mayor parte de la masa de QSO1 está concentrada en el agujero negro del centro. Si la masa estuviera más dispersa, como ocurriría si hubiera muchas estrellas, el gas no tendría esta rotación kepleriana perfecta», explican los autores.
Dado que el movimiento kepleriano se rige por leyes simples de la gravedad, los investigadores pudieron utilizar las mediciones de la velocidad del gas para calcular directamente la masa del agujero negro, una hazaña que hasta ahora no había sido posible.
Abell2744-QSO1 (QSO1), un pequeño punto rojo prototípico que existió tan solo 700 millones de años después del Big Bang
Descubrieron que el agujero negro no solo es inmenso (con una masa aproximada de 50 millones de masas solares), sino que constituye dos tercios de la masa total de QSO1. Esta proporción es miles de veces mayor que en galaxias cercanas, donde los agujeros negros supermasivos representan solo una pequeña fracción de la masa total de la galaxia anfitriona.
Los mapas de composición obtenidos con el IFU respaldaron estos resultados, demostrando que el gas en todo QSO1 está compuesto casi en su totalidad por hidrógeno y helio, con muy pocos elementos más pesados como el oxígeno, que cabría esperar en una galaxia rica en estrellas y restos 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», afirmó Maiolino. «Es la primera medición directa de la masa de un agujero negro dentro de los primeros mil millones de años posteriores al Big Bang, y es consistente con las 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 se han sobreestimado.
La enorme masa de QSO1 en relación con su galaxia anfitriona sugiere que no pudo haberse formado gradualmente a partir de la fusión y alimentación de agujeros negros de masa estelar mucho más pequeños. «Parece que hemos encontrado un agujero negro que no tiene una galaxia anfitriona sustancial y que es anterior a los procesos estelares», dijo Juodžbalis
Ya sea que el agujero negro de QSO1 evolucionara 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 gigantesca nube de gas, es casi seguro que nació grande y que puede estar en las primeras etapas de la formación de una galaxia a su alrededor.
El equipo cree que los pequeños puntos rojos como QSO1 no pudieron haber sido raros en el universo primitivo, y está analizando objetos similares para averiguar si los agujeros negros supermasivos realmente son anteriores a las galaxias donde residen actualmente.
