Ciencia

Un agujero negro inexplicablemente masivo desde los orígenes del universo refuta explicaciones anteriores

El enigma cósmico creado por la evidencia de agujeros negros aparentemente enormes en el universo primitivo continúa profundizándose. Las observaciones realizadas por el JWST de una de esas anomalías, conocida como J1120+0641, indican que la explicación alguna vez favorecida de cómo estos objetos pudieron emitir tanta luz tan pronto después del Big Bang es poco probable, lo que obliga a los astrónomos a intentarlo de nuevo.

El extraordinario poder del JWST ha permitido a los astrónomos observar galaxias más distantes que cualquiera que hayamos visto antes. Cuanto más miramos en el espacio, más retrocedemos en el tiempo, y vemos estos objetos tal como eran no mucho tiempo después de que se formara el universo. El hecho de que muchos de ellos parezcan más grandes y más desarrollados que los modelos existentes parece permitir una explicación necesaria,

Entre estas rarezas en los albores de los tiempos se encuentran los quásares, discos de acreción enormemente brillantes que rodean agujeros negros supermasivos. El intenso brillo de los de estos primeros cuásares, teniendo en cuenta los miles de millones de años luz que la luz ha tenido que viajar, es indicativo de agujeros negros muy masivos.

El modelo dominante del universo no ofrece un camino para que los agujeros negros crezcan tan pronto.

Una explicación es que los objetos que estamos viendo son particularmente eficientes a la hora de alimentarse, lo que significa que los agujeros negros son más pequeños de lo que sugerirían los quásares que han producido. Esta sería una manera muy conveniente de salir del lío, si no fuera porque no se han detectado señales de una alimentación tan eficiente en J1120+0641, lo que sugiere que el agujero negro en su corazón contiene más de mil millones de masas solares.

Eso no convierte a J1120+0641 en el agujero negro anormalmente grande más pesado (algunos tienen hasta 10 mil millones de masas solares), pero aún es lo suficientemente grande como para ser un problema dada su edad. También es el primer agujero negro que JWST ha examinado de una manera que pueda probar algunas explicaciones que evitarían la necesidad de repensar nuestros modelos del universo. Se eligió J1120+0641 para la tarea porque en 2019, cuando se reservaba tiempo en el JWST, este era el cuásar más distante conocido.

Los repetidos retrasos del JWST significan que las observaciones no se produjeron hasta enero de 2023, momento en el que se habían visto cuásares más distantes, pero J1120+0641 seguía siendo una opción apropiada. Lo estamos viendo tal como era 770 millones de años después del Big Bang.

La Dra. Sarah Bosman, del Max-Planck-Institut für Astronomie, estudió el espectro de J1120+0641, recopilado por el JWST, y descubrió que parece indistinguible de los quásares relativamente cercanos utilizados como puntos de referencia, aparte de estar rodeado de polvo algo más caliente.

El polvo puede estar más caliente, pero no es diferente, lo que descarta la explicación de que las anomalías del polvo nos estuvieran llevando a sobreestimar las masas de los antiguos agujeros negros.

«En general, las nuevas observaciones sólo aumentan el misterio: los primeros quásares eran sorprendentemente normales. No importa en qué longitudes de onda los observemos, los quásares son casi idénticos en todas las épocas del universo», dijo Bosman en un comunicado.

Podemos estimar la masa de un agujero negro a partir de la luz emitida por acumulaciones de gas cercanas en lo que se conoce como la región de línea ancha del espectro. Estos grupos orbitan el agujero negro a una velocidad cercana a la de la luz, y la radiación de línea ancha nos dice qué tan cerca, lo que a su vez nos permite calcular la masa del agujero negro. Utilizando las observaciones del JWST, Bosman y sus coautores calculan la masa de J1120+0641 en 1.520 millones de veces la del Sol.

Los agujeros negros crecen a medida que su inmensa gravedad captura la materia circundante. Sin embargo, existe un límite en la rapidez con la que esto puede ocurrir, conocido como límite de Eddington, causado por el equilibrio entre la presión de radiación hacia afuera y la atracción de la gravedad hacia adentro. Hay formas de superar el límite temporalmente, pero existen dudas sobre cuánto tiempo podrá mantenerse. En los últimos años se han encontrado muchos agujeros negros que parecen haber alcanzado masas imposibles y el JWST ha aumentado significativamente su número.

Si estos primeros agujeros negros gigantes son realmente del tamaño que pensamos, es necesario que hayan excedido el límite de Eddington o que hayan comenzado siendo enormes. Esto se conoce como el escenario de la “semilla pesada” y requiere una explicación de cómo podrían haber aparecido agujeros negros con masas al menos cien mil veces la del Sol antes de que existieran estrellas.

Por definición, estos no podrían haberse formado como lo hacen ahora los agujeros negros: mediante el colapso de estrellas muy masivas. En cambio, la explicación más probable es que enormes nubes de gas de alguna manera colapsaron directamente en agujeros negros. Sin embargo, cómo ocurrió esto sigue siendo un problema que aún no se ha resuelto.

El estudio se publica en acceso abierto en la revista Nature Astronomy.

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