Detectan el primer agujero negro supermasivo del Universo

Astrónomos han descubierto el agujero negro supermasivo activo más distante hasta la fecha con el telescopio espacial James Webb (JWST), según publican en 'The Astrophysical Journal Letters'.

La galaxia, CEERS 1019, existió unos 570 millones de años después del Big Bang, y su agujero negro es menos masivo que cualquier otro identificado hasta ahora en el universo primitivo.

Además del agujero negro de CEERS 1019, los investigadores identificaron otros dos agujeros negros más pequeños que existieron mil y mil 100 millones de años después del Big Bang. El JWST también identificó once galaxias que existían cuando el universo tenía entre 470 y 675 millones de años.

Las pruebas fueron proporcionadas por el programa CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) del JWST, dirigido por Steven Finkelstein, profesor de astronomía de la Universidad de Texas (Estados Unidos). El programa combina imágenes muy detalladas del JWST en el infrarrojo cercano y medio y datos conocidos como espectros, todos los cuales se utilizaron para hacer estos descubrimientos.

"Observar este objeto lejano con este telescopio se parece mucho a observar los datos de los agujeros negros que existen en galaxias cercanas a la nuestra", explica en un comunicado Rebecca Larson, recién doctorada en la UT, que dirigió el estudio.

CEERS 1019 destaca no sólo por el tiempo que hace que existió, sino también por lo relativamente poco que pesa su agujero negro. Rondaba los 9 millones de masas solares, mucho menos que otros agujeros negros que también existieron en el universo primitivo y fueron detectados por otros telescopios.

Estos colosos suelen tener más de mil millones de veces la masa del Sol, y son más fáciles de detectar porque son mucho más brillantes. El agujero negro del CEERS 1019 es más parecido al agujero negro del centro de nuestra Vía Láctea, que tiene 4,6 millones de veces la masa del Sol

Aunque más pequeño, este agujero negro existió mucho antes, por lo que aún resulta difícil explicar cómo se formó tan poco tiempo después del inicio del universo. Los investigadores saben desde hace tiempo que los agujeros negros más pequeños debieron existir antes en el universo, pero no fue hasta que el JWST comenzó a observar que pudieron hacer detecciones definitivas.

El equipo no sólo pudo desentrañar qué emisiones del espectro proceden del agujero negro y cuáles de su galaxia anfitriona, sino que también pudo determinar la cantidad de gas que ingiere el agujero negro y el ritmo de formación estelar de su galaxia.

El equipo descubrió que esta galaxia está ingiriendo todo el gas que puede a la vez que produce nuevas estrellas. El equipo recurrió a las imágenes para averiguar por qué. Visualmente, CEERS 1019 aparece como tres grupos brillantes, no como un único disco circular.

"No estamos acostumbrados a ver tanta estructura en imágenes a estas distancias --explica Jeyhan Kartaltepe, miembro del equipo CEERS y profesor asociado de astronomía en el Instituto de Tecnología de Rochester (Estados Unidos)--. Una fusión de galaxias podría ser en parte responsable de alimentar la actividad en el agujero negro de esta galaxia, y eso también podría conducir a un aumento de la formación estelar".

Estos son sólo los primeros descubrimientos revolucionarios del sondeo CEERS. "Hasta ahora, la investigación sobre los objetos del universo primitivo era en gran medida teórica --afirma Finkelstein--. Con Webb, no sólo podemos ver agujeros negros y galaxias a distancias extremas, sino que ahora podemos empezar a medirlos con precisión. Ese es el tremendo poder de este telescopio".

En el futuro, es posible que los datos del JWST también se utilicen para explicar cómo se formaron los primeros agujeros negros, revisando los modelos de los investigadores sobre cómo crecieron y evolucionaron los agujeros negros en los primeros cientos de millones de años de la historia del universo.

El telescopio espacial James Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Canadiense.

La encuesta CEERS es amplia y aún queda mucho por explorar. Dale Kocevski, del Colby College de Waterville (Estados Unidos), y su equipo descubrieron rápidamente otro par de pequeños agujeros negros en los datos.

El primero, dentro de la galaxia CEERS 2782, fue el más fácil de distinguir. No hay polvo que oscurezca la visión del JWST, por lo que los investigadores pudieron determinar inmediatamente cuándo existió su agujero negro en la historia del universo: sólo mil 100 millones de años después del big bang.

El segundo agujero negro, en la galaxia CEERS 746, existió un poco antes, mil millones de años después del Big Bang. Su brillante disco de acreción, un anillo de gas y polvo que rodea a su agujero negro supermasivo, aún está parcialmente cubierto de polvo.

"El agujero negro central es visible, pero la presencia de polvo sugiere que podría encontrarse en el interior de una galaxia que también está expulsando estrellas a gran velocidad", explica Kocevski

Al igual que el de CEERS 1019, los otros dos agujeros negros recién descritos (en las galaxias CEERS 2782 y CEERS 746) también son "pesos ligeros", al menos si se comparan con los agujeros negros supermasivos conocidos a esas distancias. Sólo tienen unos 10 millones de veces la masa del Sol

"Los investigadores saben desde hace tiempo que debe haber agujeros negros de menor masa en el universo primitivo. Webb es el primer observatorio que puede captarlos con tanta claridad --afirma Kocevski--. Ahora pensamos que los agujeros negros de menor masa podrían estar por todas partes, esperando a ser descubiertos".

Antes del JWST, los tres agujeros negros eran demasiado débiles para ser detectados. "Con otros telescopios, estos objetivos parecen galaxias ordinarias de formación estelar, no agujeros negros supermasivos activos", añade Finkelstein.

Los espectros sensibles del JWST también permitieron a los investigadores medir con precisión las distancias y, por tanto, la edad de las galaxias del universo primitivo. Los miembros del equipo Pablo Arrabal Haro, del NOIRLab de la National Science Foundation, y Seiji Fujimoto, investigador postdoctoral y becario del Hubble en la UT, identificaron 11 galaxias que existían entre 470 y 675 millones de años después del Big Bang.

No sólo son extremadamente distantes, sino que el hecho de que se detectaran tantas galaxias brillantes es notable. Los investigadores teorizaron que el JWST detectaría menos galaxias de las que se están encontrando a estas distancias.

"Estoy abrumado por la cantidad de espectros altamente detallados de galaxias remotas que ha devuelto Webb --reconoce Arrabal Haro--. Estos datos son absolutamente increíbles".

Estas galaxias están formando estrellas rápidamente, pero aún no están tan enriquecidas químicamente como las galaxias que están mucho más cerca de casa.

"Webb fue el primero en detectar algunas de estas galaxias --explica Fujimoto--. Este conjunto, junto con otras galaxias lejanas que podamos identificar en el futuro, podría cambiar nuestra comprensión de la formación estelar y la evolución de las galaxias a lo largo de la historia cósmica", añade.

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