Analizando imágenes del Telescopio Espacial James Webb (JWST), un grupo de astrónomos dirigido por el Dr. Lukas Furtak y el Prof. Adi Zitrin, de la Ben-Gurion University del Negev, ha detectado un agujero negro supermasivo extremadamente rojo, gravitacionalmente lente, en el universo temprano. Sus colores sugieren que el agujero negro se encuentra tras un espeso velo de polvo que oculta gran parte de su luz. El equipo logró medir la masa del agujero negro y descubrió que, en comparación con su galaxia anfitriona, era significativamente más masivo que lo observado en ejemplos más locales.

El JWST, lanzado hace dos años, ha revolucionado nuestra visión de la formación temprana de las galaxias. Ha permitido detectar galaxias muy tempranas en mayor abundancia y brillo de lo previsto, y ha revelado algunos tipos nuevos de objetos.

El grupo de astrónomos había detectado en las imágenes del JWST lo que parecía ser un objeto similar a un cuásar del universo primitivo. Los cuásares son núcleos galácticos activos brillantes: agujeros negros supermasivos situados en el centro de las galaxias que acumulan material de forma activa.

La acumulación de material en el agujero negro emite grandes cantidades de radiación que iluminan la galaxia anfitriona, dando lugar a una apariencia compacta y brillante, similar a la de una estrella. Las imágenes del JWST en las que Furtak y Zitrin identificaron el objeto fueron tomadas para el programa UNCOVER, que obtuvo imágenes del campo de un cúmulo de galaxias, Abell 2744, con una profundidad sin precedentes.

Efecto crea una lente gravitatoria

Dado que el cúmulo contiene grandes cantidades de masa, curva el espacio-tiempo -o las trayectorias de los rayos de luz que viajan cerca de él- creando efectivamente una lente gravitatoria. La lente gravitatoria magnifica las galaxias de fondo situadas detrás de ella y permite a los astrónomos observar galaxias aún más lejanas de lo que sería posible de otro modo.

Dr. Lukas Furtak, investigador postdoctoral en la BGU y autor principal de los artículos sobre el descubrimiento, dijo en un comunicado:

“Estábamos muy emocionados cuando JWST empezó a enviar sus primeros datos. Estábamos escaneando los datos que llegaban para el programa UNCOVER y tres objetos muy compactos, aunque de color rojo, destacaron de forma prominente y llamaron nuestra atención.

Su aspecto de ‘punto rojo’ nos hizo sospechar inmediatamente que se trataba de un objeto similar a un cuásar”.

Furtak y el grupo UNCOVER comenzaron a investigar el objeto

El profesor Zitrin explicó:

“Utilizamos un modelo numérico de lentes que habíamos construido para el cúmulo de galaxias para determinar que los tres puntos rojos tenían que ser imágenes múltiples de la misma fuente de fondo, vista cuando el universo sólo tenía unos 700 millones de años”.

Rachel Bezanson, profesora  de la University of Pittsburgh y codirectora del programa UNCOVER, dijo en un comunicado:

“El análisis de los colores del objeto indicaba que no se trataba de una galaxia típica de formación estelar. Esto apoyaba aún más la hipótesis del agujero negro supermasivo.

Junto con su tamaño compacto, se hizo evidente que se trataba probablemente de un agujero negro supermasivo, aunque seguía siendo diferente de otros cuásares encontrados en aquellos primeros tiempos”.

Gracias a los telescopios espaciales Chandra y Webb, los astrónomos han descubierto el agujero negro más lejano jamás detectado en rayos X (en una galaxia bautizada como UHZ1). La emisión de rayos X es un signo revelador del crecimiento de un agujero negro supermasivo. Este resultado podría explicar cómo se formaron algunos de los primeros agujeros negros supermasivos del universo. Estas imágenes muestran el cúmulo de galaxias Abell 2744 tras el que se encuentra UHZ1, en rayos X de Chandra y datos infrarrojos de Webb, así como primeros planos de la galaxia anfitriona del agujero negro UHZ1. Crédito de imagen: X-ray: NASA/CXC/SAO/Ákos Bogdán; Infrared: NASA/ESA/CSA/STScI; Image Processing: NASA/CXC/SAO/L. Frattare & K. Arcand

El descubrimiento de este objeto rojo y compacto se publicó el año pasado en la revista Astrophysical Journal. Pero eso fue sólo el principio de la historia.

A continuación, el equipo adquirió datos JWST/NIRSpec de las tres imágenes del “punto rojo” y analizó los datos.

Bezanson agregó:

“Combinando la señal de las tres imágenes con el aumento de la lente, el espectro resultante equivale a unas 1.700 horas de observación del JWST sobre un objeto sin lente, lo que lo convierte en el espectro más profundo obtenido por el JWST para un único objeto del universo temprano”.

El Dr. Furtak, autor principal de la investigación, dijo:

“Utilizando los espectros, conseguimos no sólo confirmar que el objeto rojo compacto era un agujero negro supermasivo y medir su desplazamiento al rojo exacto, sino también obtener una estimación sólida de su masa a partir de la anchura de sus líneas de emisión.

El gas orbita en el campo gravitatorio del agujero negro y alcanza velocidades muy altas que no se observan en otras partes de las galaxias. Debido al desplazamiento Doppler, la luz emitida por el material en acreción se desplaza hacia el rojo por un lado y hacia el azul por el otro, en función de su velocidad. Esto hace que las líneas de emisión del espectro se ensanchen”.

Pero la medición dio lugar a otra sorpresa: La masa del agujero negro parece ser excesivamente alta en comparación con la masa de la galaxia que lo alberga.

Jenny Greene, de la Princeton University y una de las autoras principales del reciente artículo, dijo en un comunicado:

“Toda la luz de esa galaxia debe caber en una región diminuta del tamaño de un cúmulo estelar actual. La ampliación de la fuente mediante lentes gravitacionales nos proporcionó unos límites exquisitos en cuanto al tamaño. Incluso empaquetando todas las estrellas posibles en una región tan pequeña, el agujero negro acaba siendo al menos el 1% de la masa total del sistema.

De hecho, ahora se ha descubierto que varios otros agujeros negros supermasivos del universo temprano muestran un comportamiento similar, lo que conduce a algunas visiones intrigantes del crecimiento del agujero negro y de la galaxia anfitriona, y de la interacción entre ambos, que no se comprende bien.”

Imagen sólo de radio de la región Abell 2744, que muestra características emisoras de radio causadas por partículas subatómicas aceleradas a altas velocidades por las colisiones de cúmulos gigantes de galaxias. Crédito de imagen: Pearce et al., NRAO/AUI/NSF

Proveniente del agujero negro en el universo primitivo

Los astrónomos no saben si esos agujeros negros supermasivos crecen, por ejemplo, a partir de restos estelares, o quizá de material que colapsó directamente en agujeros negros en el universo primitivo.

El profesor Zitrin dijo en un comunicado:

“En cierto modo, es el equivalente astrofísico del problema del huevo y la gallina. Actualmente no sabemos qué fue primero, si la galaxia o el agujero negro, qué masa tenían los primeros agujeros negros y cómo crecieron”.

Dado que recientemente se han detectado con el JWST muchos más de estos “puntitos rojos” y otros núcleos galácticos activos, es de esperar que pronto tengamos una idea mejor.

Los hallazgos de la investigación han sido publicados en la revista Nature.

Fuente: nrao.edu

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