El telescopio espacial James Webb observó una galaxia en una etapa particularmente joven del universo. Mirando hacia atrás, está claro que la luz de la galaxia llamada J1120+0641 tardó casi tanto en llegar a la Tierra como el universo en desarrollarse hasta el día de hoy. Es inexplicable cómo el agujero negro en su centro podía pesar entonces más de mil millones de masas solares, como lo han demostrado mediciones independientes. Los descubrimientos son Publicado en el diario Naturaleza Astronomía.

Se suponía que recientes observaciones de material en las proximidades del agujero negro revelarían un mecanismo de alimentación particularmente eficaz, pero no encontraron nada especial. Este resultado es aún más extraordinario: podría significar que los astrofísicos entienden menos sobre el desarrollo de las galaxias de lo que pensaban. Y, sin embargo, no decepcionan en absoluto.

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 hicieron tan grandes en tan poco tiempo? Las nuevas observaciones aquí descritas proporcionan pruebas sólidas en contra de algunas explicaciones propuestas, concretamente en contra de un «modo de alimentación ultraeficiente» para los primeros agujeros negros.

Los límites al crecimiento de los agujeros negros supermasivos

Las estrellas y las galaxias han cambiado enormemente en los últimos 13.800 millones de años, la vida del Universo. Las galaxias crecieron y adquirieron más masa, ya sea consumiendo el gas circundante o (ocasionalmente) fusionándose entre sí. Durante mucho tiempo, los astrónomos supusieron que los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias habrían crecido gradualmente junto con las propias galaxias.

Pero el crecimiento de los agujeros negros no puede ser arbitrariamente rápido. La materia que cae en un agujero negro forma un «disco de acreción» brillante, caliente y giratorio. Cuando esto sucede alrededor de un agujero negro supermasivo, el resultado es un núcleo galáctico activo. Los objetos más brillantes, conocidos como quásares, se encuentran entre los objetos astronómicos más brillantes de todo el cosmos. Pero este brillo limita la cantidad de materia que puede caer en el agujero negro: la luz ejerce una presión que puede impedir que entre más materia.

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

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, alcanzaban 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. 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 galáctica. ¿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 quásares 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 del agujero negro

Decidir qué explicaciones (si las hay) son correctas requiere una imagen de los quásares más completa que la que se ha tenido hasta ahora. Con la llegada del telescopio espacial JWST, específicamente el instrumento de infrarrojo medio del telescopio MIRI, la capacidad de los astrónomos para estudiar quásares distantes dio un gran paso adelante. Para medir espectros de quásares distantes, MIRI es 4.000 veces más sensible que cualquier instrumento anterior.

Instrumentos como MIRI son construidos por consorcios internacionales, con científicos, ingenieros y técnicos que trabajan en estrecha colaboración. Naturalmente, un consorcio está muy interesado en comprobar si su instrumento funciona tan bien como estaba previsto.

A cambio de construir el instrumento, los consorcios suelen recibir una cierta cantidad de tiempo de observación. En 2019, años antes del lanzamiento del JWST, el consorcio europeo MIRI decidió aprovechar parte de este tiempo para observar el que entonces era el cuásar más distante conocido, un objeto que lleva la designación J1120+0641.

Observando uno de los primeros agujeros negros

El análisis de las observaciones fue realizado por 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 partes internas importantes. Bosman fue invitado a unirse a la colaboración MIRI específicamente para aportar información sobre la mejor manera de utilizar el instrumento para estudiar el universo temprano, en particular los primeros agujeros negros supermasivos.

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 un espectro: la descomposición similar a un 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 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 antiquísimo quásar, parece ser el mismo que el de sus homólogos más modernos. La única diferencia es una que ningún modelo de rápido crecimiento de los primeros quásares predijo: una temperatura del polvo ligeramente más alta, alrededor de cien grados 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, como 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 primeros agujeros negros debido al polvo adicional tampoco son la solución.

Los primeros cuásares son «sorprendentemente normales»

La región de líneas anchas del cuásar, donde grupos de gas orbitan alrededor del agujero negro a velocidades cercanas a la 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 cuásares posteriores.

«En general, las nuevas observaciones no hacen más que aumentar el misterio: los primeros quásares eran sorprendentemente normales. Independientemente de las longitudes de onda en las que los observemos, los quásares son casi idénticos en todas las épocas 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.

Al descartar una serie de soluciones alternativas, los resultados respaldan firmemente la idea de que los agujeros negros supermasivos comenzaron con masas considerables desde el principio, en el lenguaje de la astronomía: que son «primordiales» o «de semillas grandes». Los agujeros negros supermasivos no se formaron a partir de los restos de las primeras estrellas, sino que crecieron 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 iniciales.