Mirando profundamente en el espacio y el tiempo, dos equipos que utilizaron el telescopio espacial James Webb de NASA/ESA/CSA estudiaron la galaxia excepcionalmente brillante GN-z11, que existía cuando nuestro universo de 13.800 millones de años tenía sólo unos 430 millones de años. También estudiando los datos del JWST, un equipo de astrónomos dirigido por Lukas Furtak y Adi Zitrin de la Universidad Ben-Gurion del Negev también pudieron determinar la masa del agujero negro supermasivo. Con aproximadamente 40 millones de veces la masa del Sol, es inesperadamente masivo en comparación con la galaxia en la que reside.
Cumpliendo su promesa de transformar nuestra comprensión del universo primitivo, el Telescopio Espacial James Webb está explorando las galaxias del principio de los tiempos. Una de ellas es la galaxia excepcionalmente brillante GN-z11. Descubierta originalmente por el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA, es una de las galaxias más jóvenes y distantes jamás observadas, y también una de las más misteriosas. ¿Por qué es tan brillante? Webb parece haber encontrado la respuesta, informa la revista Astronomy & Astrophysics.
El equipo que estudia GN-z11 con Webb ha encontrado la primera evidencia clara de que la galaxia alberga un agujero negro supermasivo central que está acumulando materia rápidamente. Su descubrimiento lo convierte en el agujero negro supermasivo activo más distante descubierto hasta la fecha.
GN-z11 en el campo PRODUCTOS-Norte
“Descubrimos gas extremadamente denso, común en las proximidades de agujeros negros supermasivos que acumulan gas”, explicó el investigador principal Roberto Maiolino del Laboratorio Cavendish y el Instituto Kavli de Cosmología de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido. “Estos fueron los primeros indicios claros de que GN-z11 contiene un agujero negro que consume materia”.
Utilizando Webb, el equipo también encontró firmas de elementos químicos ionizados que normalmente se observan cerca de agujeros negros supermasivos en acreción. Además, descubrieron que la galaxia emite vientos muy potentes. Estos vientos de alta velocidad suelen ser causados por procesos asociados con agujeros negros supermasivos que acumulan energía.
“La NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) de Webb detectó un componente extendido que rastrea la galaxia anfitriona y una fuente central compacta cuyos colores coinciden con los del disco de acreción que rodea el agujero negro”, dijo la investigadora Hannah Uebler, también del Laboratorio Cavendish y del Instituto Kavli. .
En conjunto, estos datos muestran que GN-z11 contiene un agujero negro supermasivo con una masa de dos millones de masas solares, que se encuentra en una fase muy activa de absorción de materia, razón por la cual es tan brillante.
Espectro GN-z11
El segundo equipo, también dirigido por Maiolino, utilizó el NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) de Webb para detectar una masa de gas helio en el halo que rodea al GN-z11.
“El hecho de que no veamos nada más que helio sugiere que esta masa debe ser bastante pura”, dijo Roberto. “Esto es lo que la teoría y los modelos esperaban en las proximidades de galaxias particularmente masivas de estas eras: que debería haber bolsas de gas puro en los halos que podrían colapsar y formar cúmulos estelares de Población III”.
La búsqueda de estrellas de Población III no observadas hasta ahora (la primera generación de estrellas formadas casi exclusivamente a partir de hidrógeno y helio) es una de las tareas más importantes de la astrofísica moderna. Se espera que estas estrellas sean muy masivas, muy luminosas y muy calientes. Su firma será la presencia de helio ionizado y la ausencia de elementos químicos más pesados que el helio.
La formación de las primeras estrellas y galaxias marca un cambio fundamental en la historia del cosmos, durante el cual el Universo evolucionó desde un estado oscuro y relativamente simple hasta el entorno altamente estructurado y complejo que vemos hoy.
En futuras observaciones de Webb, Roberto, Hanna y su equipo estudiarán GN-z11 con más detalle y esperan confirmar la presencia de estrellas de Población III que pueden estar formándose en su halo.
El nombre “Población III” surgió porque los astrónomos ya habían clasificado las estrellas de la Vía Láctea como Población I (estrellas como el Sol que son ricas en elementos más pesados) y Población II (estrellas más viejas con poca abundancia de elementos pesados que se encuentran en el bulbo y halo de la Vía Láctea, así como en cúmulos estelares globulares).
El agujero negro supermasivo es 40 millones de veces más masivo que el Sol y alimenta un quásar que existió 700 millones de años después del Big Bang. Utilizando el telescopio espacial James Webb (JWST), los astrónomos han descubierto un agujero negro supermasivo “extremadamente rojo” que crece en el oscuro Universo temprano, informa la revista Nature.
El tono rojo de un agujero negro supermasivo, tal como apareció unos 700 millones de años después del Big Bang, es el resultado de la expansión del Universo. A medida que el Universo se expande en todas direcciones, la luz que se mueve hacia nosotros se “desplaza al rojo” y, en este caso, la luz desplazada al rojo indica una capa de gas espeso y polvo que envuelve el agujero negro.
Una representación artística de un agujero negro supermasivo y su potente chorro. Los astrónomos quieren saber cómo estos objetos alcanzaron sus enormes masas en el Universo temprano. NRAO/AUI/NSF
Al estudiar los datos del JWST, un equipo de astrónomos dirigido por Lukas Furtak y Adi Zitrin de la Universidad Ben-Gurion del Negev también pudieron determinar la masa del agujero negro supermasivo. Con aproximadamente 40 millones de veces la masa del Sol, es inesperadamente masivo en comparación con la galaxia en la que reside.
El equipo también descubrió que el agujero negro supermasivo, que se encuentra a unos 12.900 millones de años luz de la Tierra, está devorando rápidamente gas y polvo a su alrededor. En otras palabras, está creciendo.
“Estábamos muy entusiasmados cuando JWST comenzó a enviar sus primeros datos. Estábamos escaneando los datos entrantes para el programa UNCOVER y tres objetos muy compactos pero de color rojo brillante se destacaron y llamaron nuestra atención”, dijo Furtak en un comunicado. “Su apariencia de ‘punto rojo’ nos llevó inmediatamente a sospechar que se trataba de un objeto parecido a un cuásar”.
Los cuásares se crean cuando enormes cantidades de materia rodean agujeros negros supermasivos como este. Esta materia forma un disco de gas y polvo llamado disco de acreción, que alimenta gradualmente el agujero negro. La enorme atracción gravitacional del agujero negro mezcla esta materia, creando altas temperaturas y haciendo que brille.
Además, la materia que no cae en el agujero negro supermasivo se dirige hacia los polos del titán cósmico. Las partículas en estas regiones se aceleran a velocidades cercanas a la de la luz en forma de chorros altamente colimados. A medida que estos chorros relativistas son expulsados, las erupciones van acompañadas de brillantes emisiones electromagnéticas.
La ilustración muestra un agujero negro supermasivo extremadamente rojo en el Universo temprano. Robert Lee
Como resultado de estos fenómenos, los quásares, impulsados por agujeros negros supermasivos en núcleos galácticos activos (AGN), a menudo se vuelven tan brillantes que la luz que emiten a menudo eclipsa la luz combinada de cada estrella de la galaxia que los rodea.
La enorme cantidad de radiación emitida alrededor de este agujero negro supermasivo hizo que apareciera como un pequeño punto en los datos del JWST.
“El análisis de los colores del objeto mostró que no es una galaxia típica de formación de estrellas. Esto confirmó aún más la hipótesis del agujero negro supermasivo”, dijo en un comunicado Rachel Bezanson, de la Universidad de Pittsburgh y codirectora del programa UNCOVER. “Combinado con su tamaño compacto, se hizo evidente que lo más probable es que se tratara de un agujero negro supermasivo, aunque todavía era diferente de otros cuásares descubiertos en aquellos primeros tiempos”.
El quásar primitivo no habría sido visible ni siquiera por el potente instrumento infrarrojo del JWST sin un poco de ayuda de un efecto predicho por Albert Einstein en 1915.
La teoría general de la relatividad de Einstein sugiere que los objetos de masa deforman la estructura misma del espacio y el tiempo, que en realidad están unidos en una sola entidad llamada “espacio-tiempo”. La teoría continúa diciendo que la gravedad surge como resultado de esta curvatura. Cuanto mayor es la masa de un objeto, más “extrema” es la curvatura del espacio-tiempo.
Así que esta curvatura no sólo les dice a los planetas cómo moverse alrededor de sus estrellas y alrededor de los centros de sus galaxias de origen, sino que también cambia los caminos de la luz proveniente de esas estrellas.
Cuanto más se acerca la luz a un objeto de masa, más “curvada” es su trayectoria. De este modo, el primer plano o el “objeto de lente” pueden desviar diferentes trayectorias de luz de un único objeto de fondo y cambiar la apariencia del diseño del objeto de fondo. A veces, el efecto puede incluso hacer que aparezca un objeto de fondo en varios lugares de la misma imagen del cielo. En otros casos, la luz de un objeto del fondo simplemente se amplifica, haciendo que ese objeto parezca más grande. Este fenómeno se conoce como “lente gravitacional”.
En el último caso, JWST utilizó un cúmulo de galaxias llamado Abell 2744 como cuerpo de lente de primer plano para amplificar la luz de las galaxias de fondo que, de otro modo, estarían demasiado distantes para ser vistas. Esto reveló el quásar extremadamente rojo en el que se enfocaron, inicialmente en forma de tres puntos rojos.
El diagrama muestra cómo la luz de un objeto del fondo es desviada por un objeto del primer plano. NASA/ESA
“Utilizamos un modelo de lentes numérico que construimos para un cúmulo de galaxias para determinar que los tres puntos rojos deben ser múltiples imágenes de la misma fuente de fondo, observadas cuando el universo tenía sólo unos 700 millones de años”, dijo Zitrin.
Un análisis más detallado de la fuente de fondo mostró que su luz debe haber venido de una región compacta.
“Toda la luz de esta galaxia debe caber en una pequeña región del tamaño de un cúmulo de estrellas moderno. La lente gravitacional de la fuente nos dio limitaciones precisas sobre el tamaño”, dijo en un comunicado Jenny Green, miembro del equipo e investigadora de la Universidad de Princeton. “Incluso si se juntaran todas las estrellas posibles en una región tan pequeña, el agujero negro acabaría constituyendo al menos el 1% de la masa total del sistema”.
El descubrimiento profundiza aún más el misterio de cómo los agujeros negros supermasivos, que pueden ser millones (o incluso miles de millones) de veces más masivos que el Sol, crecieron hasta alcanzar tamaños tan enormes durante el nacimiento del Universo.
“Se ha descubierto que varios otros agujeros negros supermasivos en el Universo temprano exhiben un comportamiento similar, lo que lleva a algunas ideas intrigantes sobre el crecimiento del agujero negro y la galaxia anfitriona, así como las interacciones entre ellos que aún no se comprenden bien”. dijo Verde.
JWST ha detectado muchos “pequeños puntos rojos” a lo largo del tiempo. También podrían indicar la alimentación de agujeros negros supermasivos por cuásares en el Universo temprano, lo que podría significar que el asombroso misterio del crecimiento de los agujeros negros pronto podría resolverse.
“En cierto modo, esto es el equivalente astrofísico del problema del huevo y la gallina”, concluyó Zitrin. “Actualmente no sabemos qué surgió primero, si la galaxia o el agujero negro, qué tan masivos fueron los primeros agujeros negros o cómo crecieron”.