El telescopio Webb revela el agujero negro que se formó antes que su Galaxia: ESA
Paris, Francia, Europa.- Utilizando la capacidad de imagen y espectroscopia sin precedentes del Telescopio Espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA, los investigadores han cartografiado el movimiento y la composición del gas que orbita un agujero negro en el centro de Abell2744-QSO1, una pequeña galaxia situada a más de 13.000 millones de años luz de distancia. Los resultados sugieren que el agujero negro, con una masa de 50 millones de masas solares, es anterior a su galaxia anfitriona, posiblemente formándose en el primer segundo del Big Bang, y que debió ser inmenso desde sus inicios.
¿Qué surgió primero, la galaxia o el agujero negro? Los científicos han creído 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 engullir el material circundante y fusionarse con el tiempo para formar entidades más masivas. Pero es difícil comprender cómo los agujeros negros con una masa millones o miles de millones de veces mayor que la del Sol, miles de los cuales ya se han detectado en el universo primitivo, pudieron crecer tan rápidamente a partir de semillas tan pequeñas.
Ahora, los investigadores que utilizan el telescopio Webb han detectado pruebas claras de que algunos agujeros negros supermasivos fueron enormes desde el principio, formándose sin una fase de colapso estelar y sin una galaxia anfitriona significativamente más masiva que los alimentara.
«Este es un hallazgo extraordinario», declaró Roberto Maiolino, de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, coautor de los estudios publicados hoy en Nature y en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . «Representa un cambio de paradigma, una revisión total de los escenarios clásicos sobre cómo se forman y crecen los agujeros negros».
La conclusión del equipo se basa en observaciones detalladas de Abell2744-QSO1 (QSO1), un prototipo de Pequeño Punto Rojo que existió tan solo 700 millones de años después del Big Bang.
Aunque QSO1 tiene solo 1300 años luz de diámetro y su luz ha viajado durante más de 13 mil millones de años, es más fácil de estudiar que la mayoría de los demás puntos rojos celestes porque la lente gravitacional del cúmulo de galaxias Abell 2744 ( el Cúmulo de Pandora ) la desvía. QSO1 se ve magnificada y aparece triplemente reflejada, ubicándose en tres lugares diferentes del cielo.
Los estudios iniciales de QSO1 revelaron pruebas convincentes de que podría ser poco más que una nube de hidrógeno y helio incandescentes orbitando un agujero negro supermasivo con una masa estimada de 40 millones de veces la del Sol. Pero, al igual que con otros agujeros negros primitivos 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 primitivo habían sido indirectas, basadas en suposiciones a partir de lo que sabemos sobre ellos en el universo local. No sabíamos si esas suposiciones realmente se aplicaban 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 espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec ) del telescopio Webb para rastrear los efectos de su gravedad en el gas que gira a su alrededor, al tiempo que mapean la distribución de varios elementos en el gas.
Ignas Juodžbalis, estudiante de posgrado de Cambridge, y Cosimo Marconcini, de la Universidad de Florencia (Italia), autores principales de uno de los estudios, utilizaron las observaciones del IFU para mapear los movimientos del gas de hidrógeno que rodea el agujero negro. Al representar gráficamente la velocidad de rotación en función de la distancia al centro, descubrieron que el gas tiene un movimiento kepleriano: orbita alrededor de un punto central de la misma manera que los planetas de nuestro Sistema Solar orbitan alrededor del Sol.
“Esto es importante porque nos indica que la mayor parte de la masa de QSO1 está concentrada en el agujero negro del centro”, dijo Ignas. “Si la masa estuviera más distribuida, como ocurriría si hubiera muchas estrellas, el gas no tendría esta rotación kepleriana perfecta”.
Dado que el movimiento kepleriano se rige por leyes gravitacionales simples, el equipo pudo utilizar las mediciones de velocidad del gas para calcular directamente la masa del agujero negro, una hazaña sin precedentes. Descubrieron que el agujero negro no solo es inmenso —con una masa aproximada de 50 millones de masas solares—, sino que además 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», dijo Cosimo. «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 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 que las masas de otros agujeros negros en el universo primitivo no se han sobreestimado.
Orígenes de los agujeros negros supermasivos
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 mucho más pequeños, de masa estelar. «Parece que hemos encontrado un agujero negro que no tiene una galaxia anfitriona sustancial y que es anterior a los procesos estelares», dijo Ignas. «Esto es muy emocionante porque es evidencia de agujeros negros primordiales o agujeros negros de colapso directo, que se habían teorizado pero no se habían confirmado».
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.
Más información
El telescopio Webb es el más grande y potente jamás lanzado al espacio. En virtud de un acuerdo de colaboración internacional, la ESA proporcionó el servicio de lanzamiento del telescopio, utilizando el cohete Ariane 5. En colaboración con sus socios, la ESA fue responsable del desarrollo y la cualificación de las adaptaciones del Ariane 5 para la misión Webb, así como de la contratación del servicio de lanzamiento por parte de Arianespace. La ESA también proporcionó el espectrógrafo NIRSpec, el instrumento principal , y el 50 % del instrumento de infrarrojo medio MIRI , diseñado y construido por un consorcio de institutos europeos financiados por los Estados Unidos (el Consorcio Europeo MIRI) en colaboración con el JPL y la Universidad de Arizona.
