Desde que el telescopio espacial James Webb entró en funcionamiento, los astrónomos han podido mirar más atrás en el tiempo, hasta los albores del cosmos. Ahora un equipo ha conseguido localizar el agujero negro más lejano y antiguo jamás conocido. Es el agujero negro central de una galaxia que existió 400 millones de años después del Big Bang. La intensa radiación proveniente de su centro indica que se trata de un agujero negro devorador de materia de aproximadamente un millón de masas solares. También parece que este núcleo galáctico activo absorbe más masa de la impuesta por el llamado límite de Eddington. Esto podría explicar por qué estos agujeros negros lograron crecer tanto en tan poco tiempo después del Big Bang.
Los agujeros negros supermasivos en el corazón de las galaxias pueden tener desde cientos de millones hasta miles de millones de masas solares. Pero aún no está claro cómo surgieron estos gigantes gravitacionales. Según una teoría común, estos gigantes supermasivos surgen de agujeros negros estelares que gradualmente crecen devorando materia y fusionándose. Pero las observaciones del cosmos primordial plantean dudas al respecto. Los astrónomos descubrieron varios quásares que pesan más de mil millones de masas solares menos de mil millones de años después del Big Bang. Dado que la tasa de crecimiento de un agujero negro está limitada por el llamado límite de Eddington, estos primeros gigantes en realidad no podrían haber crecido mediante una lenta acreción. Para explicar esto, se están discutiendo mecanismos alternativos, incluida la fusión de varios “brotes de agujeros” tempranos o el colapso de nubes masivas de gas directamente en los precursores de agujeros negros supermasivos que pesan entre 10.000 y 100.000 masas solares. También se analiza la acreción más allá del límite de Eddington.
Una de las primeras galaxias con un núcleo activo.
Los astrónomos esperan encontrar respuestas a qué mecanismo causó que los gigantes de gravedad cósmica crecieran tan rápidamente mediante la búsqueda de «plántulas huecas» en el cosmos primitivo. Si los atraparan “en el acto”, por así decirlo, podría revelar cómo crecieron los primeros agujeros negros. El instrumento más importante para estas investigaciones es el telescopio James Webb con su espectrómetro infrarrojo de alta resolución NIRSpec. Esto se debe a que puede capturar y descomponer las firmas espectrales generadas por la actividad del agujero negro. No fue hasta noviembre de 2023 que los astrónomos lograron detectar el agujero negro más distante hasta la fecha. Está situado en la galaxia UHZ1, que existió 470 millones de años después del Big Bang y parecía inusualmente grande y masiva para ser una galaxia bastante delgada. Esto ha llevado a especular que este agujero negro se formó a partir del colapso directo de una nube de gas.
Pero ahora los astrónomos dirigidos por Roberto Maiolino de la Universidad de Cambridge han descubierto un agujero negro aún más antiguo. Para su estudio, utilizaron el espectrómetro NIRSpec para examinar con más detalle la galaxia distante pero inusualmente brillante GN-z11. Las primeras observaciones con el telescopio espacial Hubble y el telescopio James Webb ya habían demostrado que esta galaxia tiene una región central brillante rodeada por un disco menos luminoso. Sin embargo, no estaba claro si el brillo fue causado por una fuerte formación estelar o por un agujero negro activo. Los nuevos análisis espectrales de alta resolución han aportado ahora una mayor claridad. Muestran algunas líneas espectrales, incluida una doble línea de neón IV, típica de los núcleos galácticos activos (AGN). «NeIV es un claro trazador de AGN porque esta línea requiere fotones con energías superiores a 63,5 electronvoltios», explican Maiolino y sus colegas. También pudo identificar una línea de carbono típica del AGN.
¿Acreción más allá del límite de Eddington?
Los astrónomos concluyen que la galaxia GN-z11 alberga un agujero negro activo, el más antiguo conocido hasta la fecha. Por tanto, la galaxia y el agujero negro existieron 400 millones de años después del Big Bang. «El escenario AGN también proporciona una explicación natural para el brillo excepcional de GN-z11», dijo el equipo. La fuerte emisión de radiación del agujero negro, que devora rápidamente materia, puede ser la razón del brillo inusual de esta y otras galaxias primordiales. Basándose en sus observaciones, Maiolino y su equipo estiman que la masa de este agujero negro activo ronda el millón de masas solares. Si bien eso no sería mucho para el núcleo de una galaxia en el universo actual, lo es para esta era: «Aún es muy temprano para un agujero negro tan masivo», dice Maiolino. No podría haber crecido mediante la acreción normal de un agujero negro estelar: no hubo tiempo suficiente para hacerlo después del Big Bang. «Por lo tanto, debemos considerar de qué otra manera podría haberse formado», dijo el astrónomo.
Una posible indicación de esto la proporciona la radiación emitida por el agujero negro. Según lo determinado por el equipo, el brillo corresponde a la enorme producción de energía de 10 elevado a 45 ergios por segundo. «Una luminosidad así sería cinco veces mayor que el límite de Eddington», informan. Si esto se confirma, este agujero negro primordial debería devorar más materia cinco veces más rápido que el límite superior de acreción teóricamente postulado. «Esta acreción de súper Eddington es uno de los escenarios propuestos para agujeros negros supermasivos de rápido crecimiento en el Universo temprano», explican Maiolino y sus colegas. Como resultado, es posible que los agujeros negros de esa época excedieran el límite de Eddington, al menos por un tiempo. En estas circunstancias, podrían absorber suficiente materia para crecer desde un agujero negro estelar hasta el tamaño observado, incluso unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang.
Sin embargo, esto tendría consecuencias duraderas para las galaxias que albergan núcleos galácticos tan “hiperactivos”: la intensa radiación del agujero negro empuja gran parte del medio interestelar –y con él el depósito de gas del que nacerían nuevas estrellas– fuera del galaxia. de lo contrario forma. Como resultado, la formación de estrellas se detendría en gran medida y las galaxias seguirían siendo correspondientemente pequeñas.
Fuente: Roberto Maiolino (Universidad de Cambridge) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-024-07052-5
