Un equipo liderado por el centro estadounidense NOIRLab de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF, por sus siglas en inglés), en el que participan el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) y el Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), ha descubierto un agujero negro supermasivo de baja masa en el centro de una galaxia tan solo 1.500 millones de años después del Big Bang. Dicho agujero negro consumía materia a gran velocidad: más de 40 veces el límite teórico. El estudio se ha publicado en Nature Astronomy.

En el centro de la mayoría de las galaxias existen agujeros negros supermasivos y los telescopios modernos los observan en momentos sorprendentemente tempranos dentro de la evolución del universo. Es difícil entender cómo estos agujeros negros pudieron crecer tanto y tan rápidamente. Con el descubrimiento de un agujero negro de baja masa que se alimenta de materia a gran velocidad, observado apenas 1.500 millones de años después del Big Bang, los astrónomos cuentan actualmente con información valiosa sobre los mecanismos de los agujeros negros de rápido crecimiento en el universo temprano.

LID-568 fue descubierto por un equipo interinstitucional de astrónomos dirigido por el Observatorio Internacional Gemini/NSF NOIRLab. Utilizaron el telescopio espacial James Webb (JWST) para observar una muestra de galaxias del cartografiado COSMOS legacy survey del Observatorio de rayos X Chandra. Esta población de galaxias es muy brillante en la parte de rayos X del espectro, pero son invisibles en el espectro óptico y en el infrarrojo cercano. El telescopio JWST tiene una sensibilidad infrarroja única que le permite detectar estas débiles emisiones.

Ilustración de una galaxia enana roja del universo temprano con un agujero negro que consume materia a una velocidad extrema, 40 veces superior al límite teórico. Imagen: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/M. Zamani.

“La mayoría de los agujeros negros del universo temprano detectados por el JWST son muy débiles (o no son detectables) en rayos X, pero LID-569 nos llamó la atención por su alto brillo en rayos X”, dice Mar Mezcua, investigadora del ICE-CSIC y del IEEC y coautora del estudio.

LID-568 destacó dentro de la muestra por su intensa emisión de rayos X, pero su posición exacta no pudo determinarse únicamente a partir de las observaciones de rayos X, lo cual generó inquietudes sobre el correcto centrado del objetivo en el campo de visión del telescopio JWST. Por lo tanto, en lugar de utilizar la tradicional espectroscopía de rendija larga, los científicos involucrados en el soporte de instrumentación del JWST sugirieron que el equipo utilizara el espectrógrafo de campo integral en el instrumento NIRSpec del telescopio JWST. Este instrumento puede obtener un espectro para cada píxel en el campo de visión del instrumento en lugar de limitarse a un segmento reducido.

El instrumento NIRSpec del JWST permitió al equipo obtener una vista completa de su objetivo y su región circundante, lo que llevó al descubrimiento inesperado de potentes flujos de gas alrededor del agujero negro central. La velocidad y el tamaño de estos flujos llevaron al equipo a inferir que una fracción sustancial del crecimiento de masa de LID-568 puede haber ocurrido en un solo episodio de rápida acreción. «Este resultado fortuito añadió una nueva dimensión a nuestra comprensión del sistema y abrió caminos emocionantes para la investigación», concluye la astrónoma del Observatorio Gemini/NSF NOIRLab Hyewon Suh, primera autora del estudio.

El equipo descubrió que LID-568 parece estar alimentándose de materia a un ritmo 40 veces superior al límite de Eddington. Este límite se relaciona con la luminosidad máxima que puede alcanzar un agujero negro, así como con la velocidad a la que puede absorber materia, de modo que su fuerza gravitatoria hacia el interior y la presión hacia el exterior generada por el calor de la materia comprimida que cae hacia él permanezcan en equilibrio. Cuando se calculó que la luminosidad de LID-568 era mucho mayor de lo teóricamente posible, el equipo supo que había algo excepcional en los datos.

“Este agujero negro se está dando un festín”, afirma Julia Scharwächter, astrónoma del Observatorio Internacional Gemini/NSF NOIRLab y coautora del estudio. “Este caso extremo demuestra que un mecanismo de alimentación rápida por encima del límite de Eddington es una de las posibles explicaciones de por qué vemos estos agujeros negros tan pesados ​​tan temprano en el universo”.

Semillas de agujeros negros más pequeños

Estos resultados aportan nuevos conocimientos sobre la formación de agujeros negros supermasivos a partir de ‘semillas’ de agujeros negros más pequeños. Las teorías actuales sugieren que estos últimos surgen de la muerte de las primeras estrellas del universo (semillas ligeras) o del colapso directo de nubes de gas (semillas pesadas).

Hasta ahora, estas teorías carecían de confirmación observacional. “El descubrimiento de un agujero negro con acreción super-Eddington sugiere que una parte significativa del crecimiento de masa puede ocurrir durante un único episodio de alimentación rápida, independientemente de si el agujero negro se originó a partir de una semilla ligera o pesada”, afirma Hyewon Suh.

El descubrimiento de LID-568 también muestra que es posible que un agujero negro supere su límite de Eddington y ofrece a los astrónomos y astrónomas una gran oportunidad para estudiar cómo ocurre esto. Es posible que los potentes flujos de salida observados en LID-568 actúen como una válvula de escape para el exceso de energía generado por la acreción extrema, evitando que el sistema se vuelva demasiado inestable. Para investigar más a fondo los mecanismos en juego, el equipo planea hacer seguimiento con observaciones a través del telescopio JWST.