Detectan el agujero negro más antiguo jamás observado, clave para entender el origen de las galaxias
Un equipo internacional de investigadores, con participación española, ha descubierto el agujero negro más antiguo observado hasta la fecha, un extraordinario objeto cósmico que está devorando a su galaxia anfitriona y que data de los albores del universo, formado solo 400 millones de años después del Big Bang, hace más de 13.000 millones de años.
Lo más interesante, según los autores, es el hecho de que este agujero negro relativamente poco masivo (unos pocos millones de veces la masa de nuestro Sol) exista tan temprano en el universo, ya que desafía nuestras suposiciones sobre cómo se forman y crecen estos objetos, al tiempo que aporta nuevas claves sobre el origen de las primeras galaxias.
El equipo liderado por Roberto Maiolino, de la Universidad de Cambridge, publica sus resultados este miércoles en la revista Nature y ha utilizado el telescopio espacial James Webb (JWST) para detectar el agujero negro en el seno de la galaxia GN-z11, una de las más antiguas del universo y conocida por observaciones anteriores del telescopio Hubble. “El primer análisis de los datos sugería que estábamos viendo una galaxia que estaba formando estrellas de manera muy intensa, pero no era tan evidente la presencia de un agujero negro”, explica a elDiario.es el astrofísico Santiago Arribas, investigador del Centro de Astrobiología (INTA-CAB-CSIC) y coautor del artículo. “Haciendo las cosas con más detalle, hemos descubierto que había un agujero negro”.
La infancia de un agujero negro
Este joven agujero negro está devorando material de su galaxia anfitriona para impulsar su crecimiento, pero lo hace con mucha más fuerza que sus hermanos de épocas posteriores, lo que lleva a los científicos a replantearse la manera en que estos se forman. El tamaño de este agujero negro recién descubierto sugiere que podrían formarse de otras maneras: podrían “nacer grandes” o podrían comer materia a un ritmo cinco veces mayor de lo que se creía posible. De alguna manera, admite Arribas, es como observar una “cría de agujero negro”, las etapas infantiles de estos objetos que nos permiten entender qué sucedió en las primerísimas fases de la historia del universo.
“Es muy temprano en el universo para ver un agujero negro de esta masa, por lo que tenemos que considerar otras formas en que podrían formarse”, asegura Maiolino. “Las galaxias muy tempranas eran extremadamente ricas en gas, por lo que habrían sido como un bufet para los agujeros negros”. Según los modelos estándar, los agujeros negros supermasivos se forman a partir de restos de estrellas muertas, que colapsan y pueden formar un agujero negro de unas cien veces la masa del Sol. Si creciera de la forma esperada, este agujero negro recién detectado tardaría unos mil millones de años en crecer hasta alcanzar el tamaño observado. Sin embargo, el universo aún no tenía mil millones de años cuando se formó.
Los datos indican que los agujeros negros podrían 'nacer grandes' o podrían comer materia a un ritmo cinco veces mayor de lo que se creía posible
Hasta ahora se sabía que había agujeros negros supermasivos en etapas muy tempranas del universo, que datan del doble de tiempo que este — unos 800 millones de años después del Big Bang —, y que se distinguen muy poco de los más cercanos. “La cuestión clave era cómo se forman con tan poco tiempo desde del Big Bang”, explica Arribas. “Encontrar uno que es menos masivo, pero está más lejos, nos da las información muy valiosa de cómo es el proceso de formación de estos objetos, que son claves en la evolución de las galaxias y el universo”, asegura. “Es un predecesor de los agujeros negros supermasivos”.
Como sucede siempre, este nuevo agujero negro en el centro de la joven galaxia anfitriona, GN-z11, no se puede observar directamente, sino que se detecta gracias el brillo de un disco de acreción giratorio, que se forma en los bordes. El gas en el disco de acreción se calienta extremadamente y comienza a brillar e irradiar energía en el rango del ultravioleta, que es lo que detectan los astrónomos. GN-z11 es una galaxia compacta, unas cien veces más pequeña que la Vía Láctea, pero —según los autores— es probable que el agujero negro esté perjudicando su desarrollo. Cuando los agujeros negros consumen demasiado gas, lo empujan como un viento ultrarrápido. Este “viento” podría detener el proceso de formación de estrellas, matando lentamente a la galaxia, pero también matará al agujero negro en sí, ya que cortaría la fuente que lo alimenta.
Una receta en tiempo récord
Los astrofísicos creen que los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el centro de galaxias como la Vía Láctea crecieron hasta su tamaño actual a lo largo de miles de millones de años. Así que este nuevo hallazgo es como si una convención de cocineros hubiera descubierto que los tiempos para una receta llevara la mitad de tiempo. “Los agujeros negros y las galaxias que los albergan evolucionan de de forma simultánea, sabemos que muchas de sus propiedades están fuertemente relacionadas”, subraya Arribas. Entender los agujeros negros es clave para entender cómo se formaron las primeras galaxias, insiste. “Estamos observando una fase muy concreta en el proceso de formación de un agujero negro supermasivo. Estamos viendo que el agujero negro está capturando masa en grandísimas cantidades, y en una fase de crecimiento muy rápido”.
“Los agujeros negros activos que solemos ver tienen entre decenas y miles de millones de veces la masa del Sol, y este tendría sólo uno o unos pocos millones, por la época tan temprana, sin que le haya dado tiempo a crecer”, explica el astrofísico Héctor Vives, investigador de CEFCA (Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón) que no ha participado en el estudio. La novedad de este trabajo, a su juicio, “es que antes se pensaba que la emisión en esta galaxia podría ser principalmente por formación estelar muy vigorosa, pero ahora, combinando datos para sacar un espectro mejor, ven que sí habría un agujero negro supermasivo acretando [creciendo]. Pero relativamente pequeño, y por eso con los datos anteriores no estaba claro”, señala. Sobre el origen de las primeras galaxias, añade, “los modelos que se usan para estudiar lo que está pasando durante la formación estelar se han hecho basándose en galaxias de épocas posteriores, así que puede que las propiedades diferentes del gas en las muy tempranas haga que estos modelos no sean válidos del todo”.
Otros grupos de investigación que están analizando las mismas imágenes, como el de Alex J. Cameron, han presentado recientemente un artículo pendiente de revisión, lo que se conoce como un “preprint”, en el que a partir de los datos del JWST creen que podría haber un cúmulo estelar en el centro de esta galaxia, lo que a juicio de los autores del trabajo publicado en Nature no es incompatible. “No desmiente que haya un núcleo activo en la galaxia, sino que trata de añadir otros datos, son enfoques distintos de investigación” asegura Bruno Rodríguez del Pino, astrofísico del CAB y coautor del trabajo. “De hecho hay otro resultado reciente y también en proceso de revisión—añade Arribas— en el cual los autores analizan la imagen de esta galaxia en mucho detalle y lo que ven es que la emisión es muy compacta, lo que favorece o da más apoyo al resultado de que es un agujero negro”.
Un “salto gigante”
Maiolino dice que el nuevo descubrimiento proporcionado por el telescopio JWST hace que este sea el momento más emocionante de su carrera. “Es una nueva era: el salto gigante en la sensibilidad, especialmente en el infrarrojo, es como pasar del telescopio de Galileo a un telescopio moderno de la noche a la mañana”, afirma. “Antes de que Webb estuviera en activo, pensaba que tal vez el universo no fuera tan interesante si se iba más allá de lo que podíamos ver con el Telescopio Espacial Hubble. Pero no ha sido así en absoluto: el universo ha sido bastante generoso en lo que nos muestra, y esto es sólo el comienzo”.
Es un salto gigante, como pasar del telescopio de Galileo a un telescopio moderno de la noche a la mañana
El autor principal del artículo cree que la sensibilidad de JWST significa que en los próximos meses y años se podrán encontrar agujeros negros aún más antiguos. Él y su equipo esperan utilizar futuras observaciones del JWST para tratar de encontrar semillas más pequeñas de agujeros negros, lo que podría ayudarles a desenredar las diferentes formas en que podrían formarse: si comienzan siendo grandes o si crecen rápidamente. “Este resultado nos hace pensar que en los próximos años podremos observar no uno, sino muchos objetos en estas fases, o quizá en fases anteriores”, concluye Santiago Arribas. “Y con una muestra más grande podremos entender mucho mejor cómo se formaron los primeros agujeros negros y las primeras galaxias”.
16