Este agujero negro supermasivo se formó cuando el universo estaba en pañales

Es posible que se haya descubierto un agujero negro gigante, de aproximadamente nueve millones de veces la masa del Sol, de los primeros tiempos del Universo. Detectado por el telescopio espacial James Webb (JWST), ya se había formado en el centro de una galaxia sólo unos 570 millones de años después del Big Bang. El descubrimiento (y otros similares que, según los investigadores, es probable que aparezcan pronto) podría ayudar algún día a resolver el misterio de cómo pudieron surgir estos colosos tan pronto en la historia cósmica.

Durante décadas, los científicos han detectado dos tipos de agujeros negros: los de masa estelar y los supermasivos. Los agujeros negros de masa estelar suelen tener entre cinco y 10 veces la masa del Sol y se cree que surgen cuando estrellas gigantes mueren y colapsan sobre sí mismas, explotando luego en supernovas y dejando tras de sí agujeros negros. En cambio, los agujeros negros supermasivos tienen entre millones y miles de millones de veces la masa del Sol y forman el corazón de la mayoría de las grandes galaxias, si no de todas.

Es lógico suponer que los agujeros negros supermasivos nacieron de agujeros negros de masa estelar que comieron y comieron hasta hacerse enormes. Sin embargo, los astrónomos han detectado agujeros negros que tienen más de mil millones de veces la masa del Sol desde menos de mil millones de años después del Big Bang, afirma Steven Finkelstein, astrofísico de la Universidad de Texas en Estados Unidos. Sigue siendo un enigma cómo pudieron hincharse hasta alcanzar tamaños tan enormes en tan poco tiempo.

"Este es uno de los principales problemas de la astronomía moderna", afirma Masafusa Onoue, astrónoma del Instituto Kavli de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Pekín (China).

Para resolver este rompecabezas, los científicos observan la luz de hace mucho tiempo, en los 13 700 millones de años de historia del universo. Después de viajar durante tanto tiempo, el polvo puede oscurecer gran parte de esta luz, haciendo que estos primeros agujeros negros sean extraordinariamente débiles.

El nuevo agujero negro, hallado en una galaxia denominada CEERS 1019, se descubrió en el marco de un sondeo profundo de galaxias conocido como Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS). Junto con otros dos agujeros negros supermasivos tempranos, el objeto se dio a conocer recientemente en un artículo aceptado para su publicación en la revista Astrophysical Journal Letters.

A medida que la luz viaja desde galaxias lejanas hasta la Tierra, se distorsiona lentamente hacia longitudes de onda más largas y se desplaza hacia la parte infrarroja del espectro. El sondeo CEERS analizó los datos de los instrumentos infrarrojos de alta sensibilidad del JWST para detectar antiguos agujeros negros demasiado tenues para ser vistos por telescopios anteriores.

Los astrónomos detectaron el agujero negro de CEERS 1019 buscando núcleos galácticos extraordinariamente brillantes. Investigaciones anteriores habían sugerido que estos llamados núcleos galácticos activos (AGN, por sus siglas en inglés) son probablemente agujeros negros que liberan grandes cantidades de energía cuando la materia cae o se acumula en ellos.

Dado que los científicos pensaban que los primeros agujeros negros eran muy poco frecuentes, "fue una verdadera sorpresa para mí que las observaciones del primer año del JWST descubrieran varios agujeros negros activos... en los primeros mil millones de años del universo", afirma Onoue, que no participó en la nueva investigación.

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Teorías sobre la formación de agujeros negros

El agujero negro de CEERS 1019 no sólo puede ser el más antiguo detectado hasta ahora, sino también el más pequeño identificado en el universo primitivo. La mayoría de los agujeros negros detectados en esta época tienen más de 1000 millones de veces la masa del Sol. En cambio, el agujero negro de CEERS 1019 es más parecido al agujero negro del centro de nuestra Vía Láctea, que sólo tiene unos pocos millones de veces la masa del Sol.

"Se pensaba que tenían que existir agujeros negros de menor masa en las primeras galaxias, pero no creía que pudiéramos encontrarlos con estas observaciones", afirma Dale Kocevski, miembro del equipo del CEERS y astrofísico del Colby College de Waterville (Maine). "Lo más sorprendente para mí es que JWST ha demostrado ser más sensible de lo que podíamos esperar".

El sondeo CEERS también detectó otros dos agujeros negros que existieron 1000 millones y 1100 millones de años después del Big Bang, dentro de las galaxias CEERS 746 y CEERS 2782, respectivamente. También se trata de agujeros relativamente ligeros, de unos 10 millones de masas solares.

El agujero negro de CEERS 2782 era relativamente fácil de detectar, ya que no había polvo que oscureciera la visión de JWST, mientras que el brillante disco de acreción que rodeaba al agujero negro de CEERS 746 estaba parcialmente cubierto de polvo, lo que sugiere que podría encontrarse dentro de una galaxia que también está bombeando estrellas furiosamente, explica Kocevski.

En CEERS 1019, el equipo detectó gas de movimiento extremadamente rápido, que creen que sólo puede proceder de la región que rodea a un agujero negro supermasivo. "La firma de gas de movimiento rápido que vemos no es extremadamente fuerte. Hicimos simulaciones exhaustivas para cuantificar nuestras incertidumbres, y llegamos a un 95 por ciento de certeza de que detectamos esta característica", afirma. "Será bastante fácil aumentar la importancia de esta señal con futuras observaciones".

Algunos científicos sospechan que los agujeros negros supermasivos del universo primitivo surgieron de la fusión de partes constituyentes más pequeñas, y estos objetos recién descubiertos encajan en esa predicción. Aun así, el agujero negro de CEERS 1019 es lo suficientemente grande como para resultar difícil de explicar.

Una posibilidad es que las semillas de los agujeros negros supermasivos nacieran del colapso de enormes nubes de gas, de 10 000 a un millón de veces la masa del Sol, que existían antes que las galaxias, dice Finkelstein, que dirigió el estudio CEERS. Otra posibilidad es que nacieran de supernovas de estrellas gigantes, de hasta 100 veces la masa del Sol, y que crecieran a un ritmo sorprendentemente rápido.

"Cualquiera de los dos casos nos dice algo que no sabíamos", afirma Kocevski. "Si lo primero es cierto, hemos aprendido algo sobre lo que había antes de las galaxias. Si el segundo es correcto, nos dice que hay algo que aún no entendemos sobre cómo crecen los agujeros negros".

Estos dos modelos predicen números diferentes de agujeros negros que deberían haber existido en los primeros 600 millones de años después del Big Bang, dice Zoltan Haiman, astrofísico de la Universidad de Columbia en Estados Unidos, que no participó en esta investigación. Descubrir más podría ayudar a resolver el rompecabezas.

"Lo emocionante es que sin duda hay más objetos de este tipo por descubrir, y tanto el aumento del tamaño de la muestra como el desplazamiento a épocas más tempranas nos permitirán afinar cuál de estas teorías es la correcta", afirma Finkelstein.

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A la caza de agujeros negros antiguos

También han empezado a aparecer otros indicios de agujeros negros primitivos. Un equipo podría haber identificado un AGN en la galaxia UHZ1 que data de unos 450 millones de años después del Big Bang, mientras que el JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) podría haber descubierto un núcleo galáctico activo dentro de la galaxia GN-z11 que data de unos 430 millones de años después del Big Bang, afirma Kevin Hainline, astrónomo de la Universidad de Arizona (Estados Unidos) y miembro del equipo JADES.

"Estos récords no se mantendrán durante mucho tiempo. Lo cual es bueno". afirma Hainline. "Sólo estamos viendo el principio de lo que es una gran riqueza de agujeros negros supermasivos en crecimiento activo en el universo temprano".

CEERS también identificó inesperadamente 11 galaxias candidatas remotas que existían cuando el universo tenía entre 470 millones y 675 millones de años; los científicos habían teorizado que JWST detectaría menos galaxias a esas distancias. Según los investigadores, las galaxias recién descubiertas están formando estrellas rápidamente y podrían arrojar luz sobre la evolución galáctica a lo largo de la historia cósmica.

Curiosamente, los primeros agujeros negros supermasivos detectados en trabajos anteriores eclipsaban a sus galaxias anfitrionas. En cambio, estos pesos ligeros recién descubiertos se hallaron en galaxias detectadas previamente, afirma Haiman.

"Esto significa que, por alguna razón, la situación es la inversa: los agujeros negros pequeños son más débiles que sus galaxias anfitrionas, mientras que cuando evolucionan hacia los más grandes, se vuelven mucho más brillantes que sus anfitriones", explica Haiman. "Esto requiere que las galaxias anfitrionas crezcan más despacio que los agujeros negros y nos aporta nuevos conocimientos sobre la evolución de estos objetos".