Telescopios de la NASA descubren un agujero negro que bate récords

Un agujero negro supermasivo, ubicado justo en el Amanecer Cósmico, ha establecido un récord como el más temprano que jamás hayamos observado.

Imagen compuesta de JWST y Chandra que revela UHZ1 y su agujero negro supermasivo. Crédito: NASA/CXC/SAO/Ákos Bogdán/ESA/CSA/STScI/L. Frattare & K. Arcand.

Ha sido avistado en una galaxia conocida como UHZ1, tan solo 470 millones de años después del Big Bang, en un período en el que el universo todavía era un bebé. De hecho, es tan temprano en la historia del universo que el agujero negro se encuentra en una etapa de desarrollo que nunca antes habíamos presenciado —su masa es similar a la de la galaxia anfitriona que crece a su alrededor—.

Se encuentra a una distancia tan grande, con la luz que ha viajado durante 13.200 millones de años para alcanzarnos, que se requirió la combinación de la capacidad del observatorio de rayos X Chandra, el telescopio espacial James Webb y una peculiaridad de la relatividad para encontrarlo, acechando en los oscuros confines del tiempo y el espacio.

La ubicación de UHZ1 detrás de Abell 2744. Crédito: Bogdan et al., arXiv, 2023.

El descubrimiento, según un equipo liderado por el astrofísico Akos Bogdan del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (CfA), constituye una evidencia clave para el modo de formación de agujeros negros supermasivos que requiere el colapso gravitacional directo de una enorme nube de gas en un objeto ultradenso que luego crece cada vez más a medida que avanza el tiempo.

«Hay límites físicos sobre qué tan rápidamente pueden crecer los agujeros negros una vez que se han formado, pero aquellos que nacen con más masa tienen una ventaja inicial», dice el astrofísico Andy Goulding de la Universidad de Princeton. «Es como plantar un árbol joven, que tarda menos tiempo en crecer hasta convertirse en un árbol de tamaño completo que si solo comenzaras con una semilla».

Lente gravitacional

El conocido como Amanecer Cósmico —es decir, el primer billón de años después del Big Bang— está muy, pero muy lejos, y cualquier luz en esas lejanas extensiones es muy tenue y muy roja, atenuada por la expansión del espacio-tiempo.

El Webb es el telescopio espacial más potente jamás construido, y observa el universo en esa luz roja. Aun así, eso no es del todo suficiente.

Para detectar UHZ1, Bogdan y su equipo aprovecharon una peculiaridad de la relatividad llamada lente gravitacional. Estas existen debido a que una gran cantidad de gravedad en un punto —como la gravedad de un cúmulo de galaxias— hace que el propio espacio-tiempo se curve a su alrededor. Cualquier luz que viaje a través de ese espacio-tiempo curvado desde partes más distantes del universo puede ser magnificada, replicada y distorsionada.

Acercamiento infrarrojo.

UHZ1 se encuentra más allá de un cúmulo de galaxias a unos 3.500 millones de años luz de distancia, llamado Abell 2744, cuya gravedad causó una magnificación cuádruple de la luz de UHZ1. Esto significó que Webb pudo distinguir la luz de la galaxia en sí misma, y Chandra pudo discernir la radiación de rayos X emitida por el gas que gira alrededor del agujero negro supermasivo en su centro.

A partir de esta luz, Bogdan y su equipo estimaron la masa tanto del agujero negro como de la galaxia que lo rodea. Si el agujero negro está absorbiendo material a la máxima velocidad que puede, su masa está entre 10 y 100 millones de veces la masa del Sol. Y eso es aproximadamente la misma masa que el resto de las estrellas en la galaxia UHZ1 combinadas, descubrieron los investigadores.

Diagrama que ilustra el modelo de colapso directo de la formación de agujeros negros supermasivos. Crédito: NASA/STScI/Leah Hustak.

Típicamente, la proporción de la masa de un agujero negro con respecto a la de su galaxia anfitriona es aproximadamente del medio por ciento. Las masas involucradas aquí sugieren que UHZ1 y su agujero negro aún se encuentran en sus primeras etapas, y que la semilla del agujero negro debe haberse formado a partir de un colapso directo, en lugar de una lenta acreción.

«Pensamos que esta es la primera detección de un “agujero negro sobredimensionado” y la mejor evidencia obtenida hasta ahora de que algunos agujeros negros se forman a partir de nubes masivas de gas», dice la astrofísica Priyamvada Natarajan de la Universidad de Yale. «Por primera vez estamos viendo una etapa breve en la que un agujero negro supermasivo pesa aproximadamente lo mismo que las estrellas en su galaxia, antes de quedarse atrás».

Esto no significa que el modelo de lenta acreción no pueda ser también cierto, al menos para algunos agujeros negros supermasivos. Pero las evidencias sugieren que, al menos en el universo temprano, el colapso directo es la mejor manera de formar un agujero negro supermasivo.

La investigación ha sido aceptada en Nature Astronomy y está disponible en el servidor de preimpresiones arXiv.

Fuente: Chandra. Edición: MP.