Agujero negro supermasivo que se formó antes que su galaxia

¿Qué nace primero, la galaxia o su agujero negro central supermasivo? Se ha venido creyendo que lo primero: se forma una galaxia y sus estrellas de gran masa consumen su combustible y se colapsan formando agujeros negros, los cuales pueden engullir el material circundante y fusionarse entre ellos con el paso del tiempo hasta conformar un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia.

Pero es difícil comprender cómo los agujeros negros con una masa de entre millones y miles de millones de veces la del Sol, muchos de los cuales se han detectado en el universo primitivo, pudieron crecer tan rápidamente a partir de semillas tan pequeñas.

Ahora, unos investigadores han detectado evidencias claras de que algunos agujeros negros supermasivos ya eran enormes desde el principio, formándose sin una fase de colapso estelar y sin una galaxia anfitriona significativamente más masiva que los alimentara.

El hallazgo se ha hecho gracias a observaciones realizadas por el telescopio espacial James Webb (JWST), fruto de una colaboración internacional encabezada por la NASA, la ESA y la CSA, respectivamente las agencias espaciales estadounidense, europea y canadiense.

Las observaciones se centraron en Abell 2744-QSO1 (QSO1, abreviadamente), un inusual objeto astronómico que existía tal como lo vemos ahora 700 millones de años después del Big Bang, la colosal “explosión” con la que nació el universo.

QSO1 y los demás objetos astronómicos como él forman parte de una rara y más bien exigua categoría, descubierta en 2022 al examinar algunas de las primeras imágenes captadas por el potentísimo telescopio James Webb. Los objetos de esta clase son unos misteriosos puntos rojos que no encajan con lo que cabría esperar de galaxias nacientes.

QSO1 tiene solo 1300 años-luz de diámetro y se encuentra a más de trece mil millones de años-luz. Sin embargo, es más fácil de estudiar que la mayoría de los demás puntos rojos porque su luz es afectada por la lente gravitacional del cúmulo de galaxias Abell 2744 (Cúmulo de Pandora). Como consecuencia de esto, desde la perspectiva visual de la Tierra QSO1 se ve amplificado y proyectado en tres ubicaciones diferentes en el cielo.

La nueva investigación la ha realizado un equipo integrado, entre otros, por Ignas Juodzbalis y Roberto Maiolino, ambos de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido.

En la investigación se ha comprobado que la mayor parte de la masa de QSO1 se concentra en el agujero negro central. Este agujero, con una masa de aproximadamente 50 millones de veces la del Sol, constituye, como mínimo, dos tercios de la masa total de QSO1. Esta asombrosa proporción es miles de veces mayor que la típica en galaxias cercanas, donde los agujeros negros supermasivos representan solo una pequeña fracción de la masa total de la galaxia anfitriona.

Además, el gas en QSO1 está compuesto casi en su totalidad por hidrógeno y helio, con muy pocos elementos químicos más pesados ​​como el oxígeno, algo muy distinto a lo que cabría esperar en una galaxia rica en estrellas y en residuos dejados por estas.

Como consecuencia del efecto de lente gravitacional ejercido por el cúmulo de galaxias Abell 2744 (cúmulo de Pandora), en esta imagen, captada por el telescopio espacial James Webb, puede verse ampliado y en tres puntos distintos del firmamento el pequeño punto rojo Abell 2744-QSO1. (Imagen: NASA, ESA, CSA, Lukas Furtak (Ben-Gurion University); procesamiento de la imagen: Alyssa Pagan (STScI))

La enorme masa de QSO1 en relación con su galaxia anfitriona sugiere que no pudo haberse formado gradualmente a partir de la fusión entre agujeros negros mucho más pequeños, de masa estelar. Todo apunta a que es un agujero negro que nunca ha dependido de una galaxia anfitriona para crecer significativamente y que es anterior a los procesos estelares. Esto constituye una evidencia de la existencia real de agujeros negros primordiales o de agujeros negros de colapso directo, que habían sido teorizados pero no confirmados.

Tanto si el agujero negro de QSO1 evolucionó a partir de una "semilla pesada" formada en el primer segundo tras el Big Bang, como si lo hizo algo más tarde a partir del colapso gravitacional de una gigantesca nube de gas, casi con toda certeza nació con muchísima masa y en el estado en que se hallaba 700 millones de años tras el Big Bang y que es el mismo con el que ahora lo observamos “en diferido”, podría estar en las primeras etapas de la formación de una galaxia a su alrededor.

La investigación se ha llevado a cabo en forma de dos estudios. Uno de ellos se titula “A direct black-hole mass measurement in a little red dot at high redshift”, se ha publicado en la revista académica Nature y su primer firmante es Ignas Juodzbalis. El otro se titula “A black hole in a near pristine galaxy 700 Myr after the big bang”, se ha publicado en la revista académica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society y su primer firmante es Roberto Maiolino, quien también es coautor del primer estudio mencionado. (Fuente: NCYT de Amazings)