Los agujeros negros supermasivos parecen estar presentes en el centro de todas las galaxias y se remontan a algunas de las primeras galaxias del Universo. Y no tenemos idea de cómo llegaron allí. No debería ser posible que crezcan tan rápidamente desde restos de supernovas hasta tamaños supermasivos. Y no conocemos ningún otro mecanismo que pueda formar algo lo suficientemente grande como para que un crecimiento extremo no sea necesario.

La aparente imposibilidad de que existieran agujeros negros supermasivos en el Universo temprano ya era un problema; El telescopio espacial James Webb no ha hecho más que empeorar las cosas al encontrar casos cada vez más antiguos de galaxias con agujeros negros supermasivos. En el ejemplo más reciente, los investigadores utilizaron Webb para caracterizar un cuásar impulsado por un agujero negro supermasivo tal como existía aproximadamente 750 millones de años después del Big Bang. Y parece sorprendentemente normal.

Mirando hacia atrás en el tiempo

Los cuásares son los objetos más brillantes del Universo, impulsados ​​por la alimentación activa de agujeros negros supermasivos. La galaxia que los rodea les alimenta con suficiente material para formar brillantes discos de acreción y potentes chorros, los cuales emiten grandes cantidades de radiación. Por lo general, están parcialmente envueltos en polvo, que brilla mientras absorbe parte de la energía emitida por el agujero negro. Estos quásares emiten tanta radiación que acaban expulsando por completo parte del material cercano de la galaxia.

Así, la presencia de estas características en el Universo temprano nos diría que los agujeros negros supermasivos no sólo estaban presentes en el Universo temprano, sino que también estaban integrados en las galaxias, tal como lo están en tiempos más recientes. Pero ha sido muy difícil estudiarlos. Para empezar, no identificamos a muchos; Sólo hay nueve quásares que datan de cuando el Universo tenía 800 millones de años. Debido a esta distancia, las características son difíciles de resolver, y el corrimiento al rojo causado por la expansión del Universo elimina la intensa radiación ultravioleta de muchos elementos y los extiende profundamente hacia el infrarrojo.

Sin embargo, el telescopio Webb fue diseñado específicamente para detectar objetos en el Universo temprano, siendo sensible a las longitudes de onda infrarrojas donde aparece esta radiación. Por tanto, la nueva investigación se basa en señalar a Webb el primero de los primeros nueve cuásares descubiertos, J1120+0641.

Y parece… extremadamente normal. O al menos muy similares a los quásares de periodos más recientes de la historia del Universo.

Mayormente normal

Los investigadores analizan la continuidad de la radiación producida por el cuásar y encuentran indicios claros de que está incrustado en una rosquilla de material caliente y polvoriento, como se ha observado en cuásares posteriores. Este polvo es ligeramente más caliente que en algunos quásares más recientes, pero esto parece ser una característica común de estos objetos en etapas anteriores de la historia del Universo. La radiación de un disco de acreción también es evidente en el espectro de emisión.

Varios medios para estimar los valores de los agujeros negros producidos en masa en el área de 10⁹ veces la masa del Sol, colocándolo claramente en el territorio de un agujero negro supermasivo. También hay evidencia, a partir de un ligero desplazamiento hacia el azul en parte de la radiación, de que el cuásar está expulsando material a unos 350 kilómetros por segundo.

Hay algunas rarezas. Una es que el material también parece caer hacia el interior a unos 300 kilómetros por segundo. Esto podría deberse a que el material se aleja de nosotros en el disco de acreción. Pero si es así, debe corresponderse con material que gira hacia nosotros en el lado opuesto del disco. Esto se ha observado algunas veces en quásares muy antiguos, pero los investigadores admiten que “se desconoce el origen físico de este efecto”.

Una opción que sugieren como explicación es que todo el cuásar esté en movimiento, desplazado de su posición en el centro de la galaxia por una fusión previa con otro agujero negro supermasivo.

La otra rareza es que también hay un flujo muy rápido de carbono altamente ionizado, que se mueve aproximadamente al doble de la velocidad de los quásares en momentos posteriores. Esto ya se ha visto antes, pero tampoco hay explicación para ello.

¿Cómo pasó esto?

A pesar de sus rarezas, este objeto se parece mucho a los quásares de tiempos más recientes: «Nuestras observaciones demuestran que las complejas estructuras del toro de polvo y del [accretion disk] puede establecerse alrededor de un [supermassive black hole] menos de 760 millones de años después del Big Bang.»

Y nuevamente, esto es un poco problemático, ya que indica la presencia de un agujero negro supermasivo integrado en su galaxia anfitriona muy temprano en la historia del Universo. Para alcanzar los tamaños que se ven aquí, los agujeros negros superan lo que se llama el límite de Eddington: la cantidad de material que pueden absorber antes de que la radiación producida al hacerlo empuje el material vecino, asfixiando el suministro de alimento del agujero negro.

Esto sugiere dos opciones. Una es que estas cosas han ingerido material mucho más allá del límite de Eddington durante la mayor parte de su historia, algo que no hemos observado y que definitivamente no es cierto en el caso de este quásar. La otra opción es que empezaran en masa (unos 10⁴ veces la masa del Sol) y continuó alimentándose a un ritmo más razonable. Pero no sabemos realmente cómo se puede formar algo tan grande.

Así pues, el Universo primitivo sigue siendo un lugar bastante desconcertante.

Astronomía Natural, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 (Acerca del DOI).