El agujero negro más grande y joven de la historia sorprende a los astrónomos

Cuanto más lejos miramos, más cerca en el tiempo viajamos hacia el Big Bang. El últino poseedor del récord de cuásares proviene de una época en que el Universo tenía solo 670 millones de años. Revela un agujero negro de 1.600 millones de masas solares. Estas sondas cosmológicas ultra lejanas nos muestran un Universo que contiene materia oscura y energía oscura. Pero no entendemos cómo estos agujeros negros crecen tanto y tan rápido.
 Crédito: Robin Dienel / Carnegie Institution for Science.

El descubrimiento y el misterio que plantea

En todos los campos científicos, siempre estamos atentos a cualquier nuevo descubrimiento que pueda revelar lo que actualmente está más allá de las fronteras conocidas. Varios esfuerzos ayudan a impulsar nuestro progreso. Así, las búsquedas de partículas más pequeñas y fundamentales, temperaturas cada vez más cercanas al cero absoluto u objetos distantes en los rincones del Universo. Donde nuestras observaciones o mediciones nos dan un resultado que no estábamos anticipando teóricamente, ese es el momento más emocionante para un científico. Esto es porque a menudo es un presagio de que estamos a punto de aprender algo completamente nuevo sobre el Universo que habitamos.

En la 237ava Reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense, el científico Feige Wang anunció el descubrimiento de un nuevo cuásar. Un cuásar es un agujero negro super masivo, ultra brillante y activo que se encuentra en los centros de galaxias distantes. Este es el cuásar más distante y, por tanto, el agujero negro más distante jamás encontrado. Su luz proviene de cuando el Universo tenía solo 670 millones de años, o ~ 5% de su edad actual. Sin embargo, ya creció a una masa que es la friolera de 1.600 millones de veces la de nuestro Sol. Es un misterio cómo un agujero negro de este tamaño puede existir tan pronto, presentando tanto una crisis como una oportunidad única para los científicos.

Impresión de un artista del cuásar J0313-1806 que muestra el agujero negro supermasivo y el viento de extremadamente alta velocidad. El cuásar, visto solo 670 millones de años después del Big Bang, es 1000 veces más luminoso que la Vía Láctea. Está alimentado por el primer agujero negro supermasivo conocido, que pesa más de 1.600 millones de veces la masa del Sol.
Crédito: NOIRLAB / NSF / AURA / J. Da Silva.

Formación de estrellas y agujeros negros en el Universo temprano

Rebobinemos el reloj hasta el Universo muy temprano, poco después del Big Bang. Sabemos que estamos mirando hacia atrás a un tiempo antes de que hubiera galaxias, estrellas o agujeros negros de cualquier tipo. Podría haber un goteo de estrellas formándose entre 50 y 100 millones de años después del Big Bang. Pero no se espera que ocurra el primer gran estallido de formación estelar hasta cerca de 200 millones de años después del Big Bang. Se espera que las primeras estrellas sean masivas, con muchas de ellas que alcanzan cientos o incluso mil o más masas solares.

Cuando esas primeras estrellas mueren, lo que ocurre después de solo unos pocos millones de años, muchas de ellas colapsaron en agujeros negros. Esto ocurre ya sea a través de una supernova de colapso del núcleo o mediante un proceso de colapso directo diferente. Los primeros cúmulos de estrellas que albergan estos jóvenes agujeros negros tuvieron lugar en regiones del espacio particulares. Son regiones que comenzaron con una cantidad significativamente mayor de materia que el promedio: las regiones más sobre densas de todas. Con el tiempo, atraejeron más y más materia hacia ellos. Esto condujo a la formación y crecimiento de galaxias, estallidos de nuevas estrellas y permitió que creciesen esos agujeros negros iniciales.

La representación de este artista muestra una galaxia siendo limpiada de gas interestelar, los bloques de construcción de nuevos estrellas. Los vientos impulsados ​​por un agujero negro central son responsables de esto. Pueden estar en el corazón de lo que impulsa una serie de galaxias activas y ultra distantes. La actividad del agujero negro eventualmente hará que cese la formación de estrellas que ocurre en toda la galaxia. 
Crédito: ESA / ATG MEDIALAB.

¿Qué tan rápido pueden crecer los agujeros negros? 

Los agujeros negros más grandes que encontramos en el Universo hoy son de unas pocas decenas de miles de millones de masas solares. Eso indica que devoraron una enorme cantidad de materia y / o se fusionaron con una enorme cantidad de otros agujeros negros para alcanzar esas masas. Todo ello ocurrió en 13,8 mil millones de años después del Bing Bang. Sin embargo, cuando miramos hacia atrás en el Universo temprano, las galaxias que vemos son más pequeñas y de menor masa. Además poseen poblaciones de estrellas más jóvenes que sus contrapartes modernas.

En pocas palabras, el Universo necesita enormes cantidades de tiempo cósmico para que las estructuras crezcan y evolucionen. Hay un límite en la rapidez con que se pueden formar las estrellas. Ello se debe a que la formación de estrellas calienta la materia circundante, mientras que la formación de estrellas en sí misma requiere gas frío. Los agujeros negros más masivos que se formaron se hundieron hasta el centro de la galaxia a través de interacciones gravitacionales con masas más ligeras. Allí se fusionaron para formar los primeros agujeros negros super masivos.  Y cuando la materia cae en esos agujeros negros, se calienta y acelera, produciendo chorros de energía. Estos chorros ayudan aún más a suprimir la formación de estrellas en el futuro.

Las imágenes de las galaxias distantes anfitrionas de cuásares y núcleos galácticos activos, a menudo se pueden obtener en luz visible / infrarroja. Los chorros en sí y la emisión circundante se ven mejor en rayos X y en radio, como se ilustra aquí para la galaxia Hércules A. Las salidas de gases se resaltan en radio, y si las emisiones de rayos X siguen el mismo camino en el gas, pueden ser responsables de crear puntos calientes debido a la aceleración de los electrones. Estos flujos de salida juegan un papel importante en la determinación de la posible tasa de crecimiento de los agujeros negros. 
Crédito: NASA, ESA, S. Baum Y C. O’Dea (Rit), R. Perley Y W. Cotton (NRAO / AUI / NSF Y El Hubble Heritage Team (STSCI / AURA).

Límite de masa con la edad de un agujero negro temprano. Observaciones desconcertantes

Cuando reunimos todo esto, cuantitativamente, esperamos plenamente que habrá un límite máximo de masa, que podría tener un agujero negro en los primeros tiempos cósmicos. Hace aproximadamente dos años, los científicos descubrieron un agujero negro récord en ese momento, solo 690 millones de años después del Big Bang. Tenía una masa de 800 millones (0,8 mil millones) de masas solares, lo que en sí mismo fue un desafío de explicar.

Los agujeros negros semilla habrían tenido que formarse a partir de las primeras estrellas. Luego crecer a lo que los astrónomos piensan actualmente que es la tasa máxima posible, el límite de Eddington. Pero además deberían mantener esta tasa durante la totalidad de su existencia para alcanzar este valor de masa tan rápidamente. Según un análisis realizado en ese mismo documento , esperaban solo alrededor de ~ 20 agujeros negros de esa magnitud en todo el Universo para ese momento.  Las probabilidades de que hubiéramos encontrado siquiera uno, dada la estrecha porción del cielo que había sido examinada tan profundamente, eran desfavorables.

Ahora, un par de años después, tenemos un agujero negro 20 millones de años más joven, y es dos veces más masivo que el cuásar más distante anteriormente.

El nuevo poseedor del récord para el primer agujero negro super masivo en comparación con el poseedor del récord anterior. Además se muestran una variedad de otros agujeros negros super masivos tempranos. Tenga presente que este nuevo agujero negro, J0313-1806, ha alcanzado una masa de 1.600 millones de masas solares. Pero lo hizo, solo 670 millones de años después de que ocurriera el Big Bang.
Crédito: Feige Wang, presentado en AAS 237
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Comprobando la edad del nuevo agujero negro

Para un objeto como este, tenemos que asegurarnos absolutamente de no engañarnos a nosotros mismos. La luz de un objeto muy distante no tiene emisión de luz ultravioleta o visible, sino que está tan enrojecida que cae en el infrarrojo. Pero no siempre que observemos esta característica en la luz de un objeto, podemos afirmar que éste es muy distante. Hay una serie de efectos de primer plano que podrían darle el tipo de señal que observamos. Lo que hay que hacer, si quieres estar seguro, es dividir la luz en sus longitudes de onda individuales, determinar sus espectros e identificar una variedad de características.

Los investigadores hicieron eso para este nuevo cuásar en particular, J0313-1806. Tomaron un espectro de este objeto e identificaron cuatro características clave.

  1. Una emisión de la línea Lyman-α, procedente del hidrógeno energético, que se produce en una longitud de onda específica: 121,5 nanómetros.
  2. Una característica espectral correspondiente al carbono triplemente ionizado, que está presente en entornos energéticos donde las estrellas ya han vivido y muerto.
  3. Otra característica que apunta a la presencia de magnesio ionizado individualmente, indica la presencia previa de estrellas masivas que ya han muerto.
  4. Y dos “dips” asimétricos. Estos corresponden a características de absorción en dos longitudes de onda diferentes: una un poco más larga y otra un poco más corta que la otra.

El hecho de que hayamos observado todas estas características en la porción infrarroja del espectro nos dice cuán distante y antigua es realmente esta luz.

La ruptura espectroscópica de la luz del cuásar J0313−1806 muestra la emisión de Lyman-α y dos características de absorción justo a la derecha de la misma. Luego muestra características de carbón triplemente ionizado y magnesio ionizado individualmente. Este análisis espectral nos permitió determinar que este cuásar realmente está a casi 30 mil millones de años luz de distancia. Lo que representa el Universo en expansión. 
Crédito: Feige Wang y col. (2021), Arxiv: 2101.03179.

¿Qué nos dicen las dos características de absorción?

Sin embargo, esas dos caídas son particularmente interesantes. Hay un montón de preguntas que podemos hacer sobre esas características de absorción, y responder esas preguntas conduce a una conclusión fascinante.

¿Qué absorbe la luz a una determinada longitud de onda? Gas neutro, cuyos átomos se excitan con la luz de una energía en particular, pero luego se vuelve a irradiar en una dirección aleatoria, evitando que esa luz llegue a nuestros ojos.

¿Por qué habría dos características de absorción diferentes? Si el gas se mueve en dos direcciones, una hacia nosotros y otra lejos de nosotros, obtendrá dos características separadas que alcanzan un máximo en dos longitudes de onda diferentes.

¿Por qué las características de absorción serían amplias en lugar de estrechas? Porque el gas se mueve con velocidades variadas (en un rango) o se calienta a una temperatura significativamente alta.

Entonces, ¿qué podría estar causando esto? ¿Cuál es la característica común de los cuásares y las galaxias activas? Dos chorros relativistas de materia que se mueven rápidamente en direcciones opuestas. Este es un cuásar, y estas características de absorción son lo que conocemos como salidas de cuásar.

La galaxia activa IRAS F11119 + 3257 muestra, cuando se ve de cerca, flujos de salida que pueden ser consistentes con una gran fusión. Los agujeros negros super masivos solo pueden ser visibles cuando están ‘activados’ por un mecanismo de alimentación activo. Esto explica por qué podemos ver estos agujeros negros ultra distantes en forma de AGN y cuásares. 
Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA/ SDSS / S. Veilleux.

Características del cuásar. Un hecho notable

Este cuásar fue encontrado inicialmente por el telescopio Magellan. Luego fue confirmado espectroscópicamente por el telescopio Gemini, que determinó su corrimiento al rojo, la distancia y una serie de otros parámetros. Este cuásar tiene las siguientes características.

  • Es tan luminoso como 36 billones de soles en todas las longitudes de onda de luz.
  • Solo tiene una décima parte del radio de la Vía Láctea, solo quizás 5.000 años luz desde el centro hasta el borde.
  • Experimenta una gran y continua cantidad de formación estelar, con un promedio de ~ 200 nuevas masas solares por valor de estrellas por año.
  • Es extremadamente polvoriento, con aproximadamente 70 millones de masas solares de polvo.
  • Posee dos chorros que se mueven rápidamente en direcciones opuestas. Uno se mueve a ~ 14% de la velocidad de la luz y el otro se mueve a ~ 18% de la velocidad de la luz.
  • Contiene un agujero negro super masivo que ha crecido hasta 1.600 millones de masas solares.
  • Su luz ha estado viajando hacia nosotros durante los últimos 13,1 mil millones de años.
  • Está ubicado actualmente, a 29,4 mil millones de años luz de distancia, lo que representa la expansión del Universo.

De todo esto, hay un hecho notable. Supongamos que este agujero negro creció a la velocidad máxima que creemos que es posible, y lo hizo desde las primeras estrellas / agujeros negros. Para ello se requiere un agujero negro «semilla» de aproximadamente 10,000 masas solares. Este último es quizás un factor de 10 más masivo que los agujeros negros más masivos que esperamos que existiesen en ese momento.

Para explicar la masa del cuásar J0313−1806, se necesitaría partir de un agujero negro semilla de 10.000 masas solares, lo cual desafía nuestra comprensión.
Crédito: Feige Wang, de AAS237.

Otro hecho a explicar

Este cuásar tiene un alto nivel de actividad: los chorros energéticos y relativistas, su alta luminosidad y la enorme producción de energía asociada con él. Lo que sorprende es que este nivel de actividad se combina con niveles muy altos de formación estelar en curso. Esto, hasta donde lo entendemos, no debería ser posible por mucho tiempo.

Lo que siempre sucede en sistemas como éste es algo llamado «extinción». Esto sucede cuando la inyección de energía de un proceso evita que otro proceso continúe. Para tener formación estelar, por ejemplo, se necesita mucho gas frío colapsando gravitacionalmente para formar nuevas estrellas. Si inyectaras mucha energía en ese gas, se calentaría y no podría colapsar. Los cuásares, y en particular los chorros y otras emisiones de ese cuásar, deberían estar haciendo exactamente eso.

En otras palabras, las salidas de cuásares deberían extinguir la formación de estrellas en este objeto. Y, sin embargo, parece seguir creciendo y formando nuevas estrellas a un ritmo espectacularmente rápido: 200 masas solares por año.

HE0435-1223, ubicado en el centro de esta imagen de campo amplio, se encuentra entre los cinco mejores cuásares con lentes descubierto hasta la fecha. La galaxia en primer plano crea a su alrededor ,cuatro imágenes distribuidas casi uniformemente del cuásar distante. Los cuásares están entre los objetos más distantes que se encuentran en el Universo observable. 
Crédito: ESA / Hubble, NASA, Suyu et al.

Nuestras capacidades tecnológicas permitirán responder las interrogantes

Afortunadamente, tenemos la capacidad tecnológica para aprender mucho, mucho más sobre lo que está sucediendo en este objeto distante que parece desafiar la explicación convencional. No hemos sido capaces, ni siquiera con los mejores telescopios infrarrojos terrestres, de obtener imágenes de la galaxia anfitriona o de las salidas del cuásar directamente.

El Atacama Large Millimeter / submillimetre Array (ALMA) es un conjunto extremadamente grande y poderoso de radiotelescopios. Se especializa en obtener imágenes del gas y el polvo presentes en ambientes con calor extremo. Si queremos medir las salidas de este sistema de cuásar, ALMA, tan pronto como vuelva a estar en línea, podría hacer las observaciones críticas.

Además, el telescopio espacial James Webb, será capaz de obtener imágenes directamente de la galaxia anfitriona que alberga este cuásar. Mirará a través del medio intergaláctico aún no completamente reionizado para ver lo que actualmente ningún telescopio basado en tierra o en el espacio puede ver.

A medida que exploramos más y más del Universo, podemos mirar más lejos en el espacio, lo que equivale a más atrás en el tiempo. El telescopio espacial James Webb nos llevará a profundidades, directamente, que nuestras instalaciones de observación actuales no pueden igualar. Sus ojos infrarrojos, revelarán la luz de las estrellas ultra distantes que Hubble no puede ver, incluidas las galaxias anfitrionas de los cuásares más distantes conocidos.
Crédito: Equipos de NASA / JWST Y HST.

Conclusión

Es algo absolutamente extraordinario que hayamos encontrado un agujero negro supermasivo a mayores distancias que nunca. En particular cuando consideramos cuán raros deberían ser estos objetos en todo el cosmos. Pero lo verdaderamente desconcertante es cómo este agujero negro llegó a ser tan grande en tan poco tiempo. Crecer a 1.600 millones de masas solares en un Universo que tiene menos de 700 millones de años desafía nuestra comprensión. Solo debería ser posible, incluso si el agujero negro crece a la velocidad máxima permitida, si comienza con aproximadamente 10,000 masas solares. Pero esto es aproximadamente un factor de 10 más, de lo que los valores realistas admiten.

Afortunadamente, tendremos observaciones en el futuro cercano que nos enseñarán mucho más sobre este objeto. Esto incluye cómo es su galaxia anfitriona y qué están haciendo los flujos de salida del cuásar. En los próximos años, podemos esperar encontrar un número aún mayor de agujeros negros en estos rincones lejanos del Universo. Esto será así, ya que los astrónomos esperan aprender cómo estos objetos se forman y evolucionan realmente con el tiempo. Por ahora, no sabemos cómo estos agujeros negros se hicieron tan grandes tan rápidamente en el Universo temprano, pero los datos no mienten. Estos objetos están ahí fuera, y depende de nosotros averiguar de dónde vienen.

Fuente: Starts With A Bang / Forbes.

Artículo original: «Biggest, Youngest Black Hole Ever Shocks Astronomers«. Ethan Siegel. Enero 13, 2021.

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Esta investigación fue presentada en la Conferencia de Prensa del día 2, de la Reunión 237ava de la AAS por Feige Wang (Universidad de Arizona). Puedes ver tanto la Grabación de la conferencia de prensa en vivo, como también el Tweeting en vivo de esta sesión por Haley Wahl.

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