Una ilustración muestra siete galaxias de «pequeños puntos rojos» incrustadas en la red cósmica, una de las cuales está dominada por un agujero negro supermasivo(Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
Gracias al telescopio espacial James Webb (JWST), los astrónomos han descubierto agujeros negros supermasivos distantes y demasiado masivos en el universo primitivo. Los agujeros negros parecen demasiado masivos en comparación con la masa de las estrellas de las galaxias que los albergan.
En el universo moderno, para las galaxias cercanas a nuestra Vía Láctea, los agujeros negros supermasivos suelen tener masas equivalentes a alrededor del 0,01% de la masa estelar de su galaxia anfitriona. Así, por cada 10.000 masas solares atribuidas a las estrellas de una galaxia, hay alrededor de una masa solar de un agujero negro supermasivo central.
En el nuevo estudio, los investigadores calcularon estadísticamente que los agujeros negros supermasivos de algunas de las primeras galaxias observadas por el JWST tienen masas del 10% de la masa estelar de sus galaxias. Eso significa que por cada 10.000 masas solares en estrellas en cada una de estas galaxias, hay 1.000 masas solares de un agujero negro supermasivo.
«La masa de estos agujeros negros supermasivos es muy elevada en comparación con la masa estelar de las galaxias que los albergan», declaró a universeexpedition.com el jefe del equipo, Jorryt Matthee, científico del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA). «A primera vista, nuestras mediciones implican que la masa de los agujeros negros supermasivos es el 10% de la masa estelar en las galaxias que estudiamos».
«En el escenario más extremo, esto implicaría que los agujeros negros son 1.000 veces más pesados».
El descubrimiento podría acercar a los astrónomos un paso más a la resolución del misterio de cómo agujeros negros supermasivos con masas de millones o incluso miles de millones de veces la del Sol crecieron tan rápidamente en el universo primitivo.
«Más que decir que este descubrimiento es “preocupante”, yo diría que es “prometedor”, ya que la gran discrepancia sugiere que estamos a punto de aprender algo nuevo», añadió Matthee.
La historia empieza con puntitos rojos
Desde que el JWST comenzó a enviar datos a la Tierra en el verano de 2022, el telescopio de 10.000 millones de dólares ha ayudado a los astrónomos a refinar su comprensión del cosmos primitivo.
Esto ha incluido el descubrimiento de agujeros negros supermasivos con millones de masas solares cuando el universo tenía menos de mil millones de años. Esto es problemático, porque los científicos han estimado que las cadenas de fusión de agujeros negros progresivamente mayores y la voraz alimentación de la materia circundante que lleva a los agujeros negros a tamaños supermasivos se cree que tardan más de mil millones de años.
Otro aspecto significativo de esta investigación del universo primitivo realizada por el JWST ha sido el descubrimiento de «pequeñas galaxias de puntos rojos», algunas de las cuales existían tan sólo 1.500 millones de años después del Big Bang, cuando el universo tenía alrededor del 11% de su edad actual. Se cree que la coloración roja de estas galaxias primitivas sorprendentemente brillantes procede del gas y el polvo de una nube aplanada de materia alrededor de agujeros negros supermasivos llamada disco de acreción. A medida que los agujeros negros gigantes se alimentan de esta materia, emiten enormes cantidades de energía electromagnética, desde una región compacta conocida como núcleo galáctico activo (AGN).
«En 2023 y 2024, nosotros y otros grupos descubrimos una población previamente oculta de AGN en el universo temprano en los primeros conjuntos de datos del JWST», dijo Matthee. «La luz que vemos de estos objetos, en particular la luz más roja, se origina en los discos de acreción alrededor de los agujeros negros supermasivos».
«Estos objetos llegaron a conocerse como “pequeños puntos rojos” porque así es como aparecen en las imágenes del JWST».
Actualmente, esta población galáctica primitiva es muy apasionante, aunque poco conocida. Por ejemplo, en el universo primitivo, los pequeños puntos rojos parecen ser mucho más numerosos en comparación con las poblaciones de AGN conocidas hasta ahora, vistas desde la Tierra como cuásares alimentados por agujeros negros supermasivos.
Una imagen muestra seis de las galaxias de «pequeños puntos rojos» observadas por JWST en el universo temprano. (Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, STScI, Dale Kocevski (Colby College))
«Los pequeños puntos rojos también muestran algunas propiedades muy notables, como la debilidad en la emisión de rayos X, que es bastante inusual para los AGN, y la emisión infrarroja también es inusual», dijo Matthee. «Debido a estas complicaciones, estamos luchando para interpretar la luz que observamos de los pequeños puntos rojos, lo que significa que es muy difícil estudiar sus propiedades».
Aquí es donde entra en juego el nuevo trabajo de Matthee y sus colegas. Utilizando un conjunto de datos del sondeo «All the Little Things (ALT)» del año 2 (ciclo 2) del JWST, el equipo construyó un mapa 3D preciso de todas las galaxias de una región específica del cielo.
«Dentro de esa región, hemos identificado siete pequeños puntos rojos, de forma similar a estudios anteriores, pero ahora hemos podido comparar las ubicaciones de estos pequeños puntos rojos en el mapa 3D de galaxias», dijo Matthee.
Los pequeños puntos rojos del equipo están situados tan lejos que su luz lleva viajando hasta nosotros unos 12.500 millones de años. Están agrupados en la llamada red cósmica de galaxias, y su posición es de suma importancia.
Little red dot galaxies are morsels on a cosmic web
La posición de las galaxias en la red cósmica depende del tipo de galaxia. Las galaxias más evolucionadas y masivas se encuentran en regiones superdensas, como los nodos donde se conectan los hilos de la red. Las galaxias más jóvenes y de menor masa tienden a encontrarse en las regiones menos densas de la red cósmica, a lo largo de las hebras individuales alejadas de los nodos.
«Hemos descubierto que los pequeños puntos rojos se encuentran en entornos que se asemejan a las galaxias jóvenes y de baja masa», dijo Matthee. «Esto implica que las pequeñas galaxias de puntos rojos son también galaxias jóvenes de baja masa».
El hecho de que estas pequeñas galaxias de puntos rojos contengan AGN ha proporcionado pruebas de que los primeros agujeros negros crecen activamente en galaxias con masas estelares tan bajas como unos 100 millones de veces la del Sol.
Una ilustración muestra un agujero negro supermasivo en el corazón de una región llamada AGN (Crédito de la imagen: NASA/JPL-Caltech)
Una posible explicación es que los agujeros negros supermasivos del universo primitivo consiguieron formarse y crecer de forma mucho más eficiente que los del universo actual. Esto podría deberse al consumo más rápido del gas y la materia circundantes.
«En mi opinión, la explicación más probable es el rapidísimo crecimiento de agujeros negros supermasivos alimentado por las altas densidades de gas de las galaxias en el universo primitivo», afirma Matthee. «Estas densidades conducen simultáneamente a altas densidades estelares, lo que favorece la formación de agujeros negros supermasivos al facilitar las colisiones desbocadas de agujeros negros remanentes».
Si eso es cierto, entonces la formación de estrellas y de agujeros negros supermasivos en las galaxias están intrínsecamente ligados, dependiendo estos procesos el uno del otro. Aunque los agujeros negros supermasivos crecen más rápido en las galaxias primitivas, la formación estelar se va igualando, lo que lleva a la proporción de masa de 1:100 que se observa hoy en día.
Esto aún no confirma las teorías del crecimiento rápido frente a otras explicaciones del crecimiento de los agujeros negros supermasivos, como la idea de que estos titanes cósmicos crecen a partir de semillas de agujeros negros masivos creadas por el colapso directo de enormes nubes de gas y polvo.
Sin embargo, Matthee añadió que ahora será difícil para los teóricos sortear las bajas masas de las galaxias anfitrionas cuando se consideren las teorías en competencia.
Matthee explicó que los próximos pasos tanto para el equipo como para la comunidad astronómica en general son eliminar la posibilidad de que la relación masa estelar/masa de agujero negro que encontraron no sea el resultado de mediciones inexactas o de un sesgo de selección que pueda haber favorecido a los agujeros negros supermasivos más activos y, por tanto, más masivos.
Esto implicará probablemente el descubrimiento de más galaxias de pequeños puntos rojos, una caza en la que el JWST estará sin duda en el centro.
«El JWST ha sido importante por dos razones principales: Sin él, no habríamos descubierto esas poblaciones de AGN débiles», concluyó Matthee. «Además, sin el JWST, no habríamos podido hacer el mapa 3D preciso de las distribuciones de galaxias que utilizamos para inferir las propiedades de las galaxias que albergan los AGN débiles».
«¡Es un campo de investigación muy apasionante en estos momentos!».
La investigación del equipo aún no se ha publicado en una revista revisada por pares. Se ha publicado en el repositorio de artículos arXiv.
