Un agujero negro en expansión observado apenas 470 millones de años después del Big Bang

Un agujero negro en expansión observado apenas 470 millones de años después del Big Bang

Una de las grandes preguntas de la cosmología se refiere a cuándo aparecieron por primera vez los agujeros negros en el Universo temprano. Recientemente, los astrónomos descubrieron el agujero negro supermasivo más distante (y por lo tanto más antiguo) jamás observado. Parece como era cuando el Universo tenía sólo 470 millones de años.

Este monstruoso agujero negro es muy brillante en rayos X, lo que lo convierte en un objetivo ideal para el Observatorio de rayos X Chandra. También es lo suficientemente brillante en luz infrarroja como para que el Telescopio Espacial James Webb pueda verlo. «Necesitábamos a Webb para encontrar esta galaxia notablemente distante y a Chandra para encontrar su agujero negro supermasivo», dijo Akos Bogdan del Centro de Astrofísica de Harvard. Bogdan y su equipo acaban de publicar un artículo sobre estas observaciones. «También aprovechamos una lupa cósmica que aumentó la cantidad de luz que detectamos». Básicamente, los astrónomos obtuvieron sus datos a través de lentes gravitacionales y luego combinaron datos de los dos telescopios en órbita para crear una vista única del agujero negro.

El agujero negro es el corazón de un cuásar, una galaxia activa llamada UHZ1. Su luz se amplifica a su paso a través del cúmulo de galaxias vecino Abell 2744. Esta luz abandonó el cuásar cuando el Universo tenía sólo el 3% de su edad actual. Webb lo detectó utilizando débiles señales infrarrojas de la actividad que rodea al agujero negro. Chandra lo observó durante dos semanas y descubrió una enorme cantidad de emisiones de rayos X provenientes de gas sobrecalentado en la galaxia. Esto les indicó que el agujero negro estaba devorando rápidamente la materia que lo rodeaba.

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Cuásares con agujeros negros en el universo infantil

Los cuásares del origen del Universo nos dicen mucho sobre las condiciones que siguieron al Big Bang. En particular, abren una ventana a la formación de agujeros negros. No está claro exactamente cómo algunos agujeros negros supermasivos se volvieron tan masivos tan rápidamente después del Big Bang. En primer lugar, debemos entender cómo se formaron. ¿Nacen del colapso de enormes nubes de gas para crear agujeros negros de hasta 100.000 masas solares? ¿O la causa son las explosiones de las primeras estrellas supermasivas? Si este fuera el caso, la masa de estos agujeros negros habría sido de sólo 10 a 100 masas solares. Comprender el escenario de formación ayuda a los astrónomos a comprender las condiciones en ese momento.

“Existen límites físicos a la rapidez con la que los agujeros negros pueden crecer una vez formados, pero aquellos que nacen con mayor masa tienen una ventaja. «Es como plantar un retoño, que tarda menos tiempo en crecer hasta convertirse en un árbol de tamaño completo que si se empieza con sólo una semilla», dijo el coautor del artículo Andy Goulding, de la Universidad de Princeton.

Cómo se puede formar un gran agujero negro a partir del colapso directo de una enorme nube de gas unos cientos de millones de años después del Big Bang. El panel #1 muestra una enorme nube de gas y una galaxia que se acerca. Si la formación de estrellas en la nube de gas es bloqueada por la radiación de la galaxia entrante, esto impide que se forme una nueva galaxia. Entonces el gas puede colapsar y formar un disco y un agujero negro. Los paneles 2 y 3 muestran el inicio de este colapso de gas en el centro de la nube. Se forma un pequeño agujero negro en el centro del disco (panel nº 4). El agujero negro y el disco continúan creciendo (panel nº 5). Esta “semilla” masiva de agujero negro y su disco luego se fusionan con la galaxia que se muestra en el panel n.° 1. Durante un tiempo, el agujero negro es inusualmente masivo en comparación con la masa de las estrellas de la galaxia. Esto lo convierte en un agujero negro de gran tamaño (panel n.° 6). El agujero negro atrae estrellas y gas de la galaxia. Esto hace que el agujero negro y el disco crezcan aún más. Cortesía de NASA/STScI/Lea Hustak

Un buen escenario de entrenamiento.

Para este agujero negro en particular, el primer escenario parece explicar cómo se formó. Por su masa (de 10 a 100 millones de masas solares) se puede decir que fue la caída de una enorme nube de gas lo que lo creó. El brillo y la intensidad de los rayos X detectados por Chandra lo dicen todo. Además, la masa del agujero negro es aproximadamente igual a la masa de todas las estrellas de su galaxia anfitriona. Los autores del artículo lo llaman un “agujero negro desproporcionado”.

«Creemos que esta es la primera detección de un ‘agujero negro masivo’ y la mejor evidencia hasta ahora de que algunos agujeros negros se forman a partir de enormes nubes de gas», dijo Piyamvada Natarajan de la Universidad de Yale, cuyo trabajo de 2017 predijo tal objeto. «Por primera vez, estamos viendo una breve etapa en la que un agujero negro supermasivo pesa aproximadamente tanto como las estrellas de su galaxia antes de quedarse atrás».

Los agujeros negros en los primeros tiempos

En su artículo, los autores de este descubrimiento señalan que los quásares con agujeros negros supermasivos como el UHZ1 ya existían mucho antes de 700 millones de años después del Big Bang. Por tanto, existieron, pero sus orígenes siguen siendo un misterio. La búsqueda de las “semillas” de estos objetos requiere observar muchas de estas galaxias a distancias muy grandes. Cuando su luz llega hasta nosotros, está fuertemente desplazada al rojo. Por eso Webb necesita detectar muchas de estas galaxias. Una vez hecho esto, determinar las emisiones de rayos X ayuda a contar el resto de la historia.

Por supuesto, los autores tuvieron que diferenciar entre regiones activas de formación de estrellas y la formación de agujeros negros en estas galaxias distantes. También necesitaban asegurarse de que no se originara en una región de gas intracúmulo en el cúmulo intermedio Abell 2744. Lo que queda después de todos los análisis es la conclusión de que estos primeros agujeros negros masivos nacieron cuando las «semillas» masivas (nubes de gas) se fusionaron poco tiempo después del Big Bang.

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A medida que JWST descubre más galaxias tempranas en el Universo naciente, seguramente aparecerán más de estos «agujeros negros de gran tamaño». Su existencia y las condiciones que los rodean deberían ayudar a solidificar la teoría detrás de las «semillas» de agujeros negros en las primeras nubes de gas.

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