Los astrónomos han descubierto los mayores chorros gemelos jamás vistos saliendo de un agujero negro. Los chorros se extienden a lo largo de unos 23 millones de años luz, mucho más allá de los límites de su galaxia anfitriona y con una longitud equivalente a la de 140 galaxias de la Vía Láctea alineadas de extremo a extremo.
Los chorros salen de un agujero negro supermasivo situado en el corazón de una galaxia situada a unos 7.500 millones de años luz, lo que significa que se ven como eran cuando el universo, de 13.800 millones de años, tenía sólo 6.300 millones de años, aproximadamente la mitad de su edad actual. Los chorros que salen por encima y por debajo del agujero negro emiten billones de veces más energía por segundo que nuestro sol.
«Hace tiempo que conocemos estas estructuras formadas por chorros procedentes de agujeros negros supermasivos del centro galáctico, pero ésta en concreto destaca por tres razones», explica a universeexpedition.com Martin Hardcastle, miembro del equipo de la Universidad de Hertfordshire. «En primer lugar, es el más grande hasta ahora, con más de 20 millones de años luz de punta a punta, lo que significa que va desde el centro de su galaxia madre hasta el vacío entre galaxias y grupos de galaxias.
«En segundo lugar, es uno de los más potentes que conocemos, con un rápido ritmo de caída de materia sobre el agujero negro. Y, por último, se encuentra cuando el universo sólo tenía aproximadamente la mitad de su edad actual, y se cree que era un lugar mucho más violento, con muchas más cosas sucediendo que podrían haber perturbado los chorros.»
Porphyrion visto por el radiotelescopio LOFAR emergiendo de un agujero negro a 7.500 millones de años luz (Crédito de la imagen: LOFAR Collaboration/Martijn Oei).
El equipo que descubrió la megaestructura la ha bautizado con el nombre de «Porfirión», en referencia a la gigantesca descendencia de Gea en la mitología griega. Porfirión era el mayor de los gigantes junto a Alcióneo, que da nombre al siguiente conjunto de chorros de agujero negro más grande, descubierto en 2022 por el mismo equipo de científicos y que abarca el equivalente a unas 100 vías lácteas.
El descubrimiento de un sistema tan grande de chorros de agujeros negros, detallado en un artículo publicado hoy (18 de septiembre) en la revista Nature, indica a los investigadores que estos flujos de salida pueden haber influido en la evolución de las galaxias en el universo primitivo en una medida muy, muy superior a lo que se sospechaba hasta ahora.
«Los astrónomos creen que las galaxias y sus agujeros negros centrales coevolucionan, y un aspecto clave de esto es que los chorros pueden propagar enormes cantidades de energía que afectan al crecimiento de sus galaxias anfitrionas y de otras galaxias cercanas», dijo en un comunicado George Djorgovski, miembro del equipo y profesor de astronomía y ciencia de datos en el Instituto de Tecnología de California (Caltech). «Este descubrimiento muestra que sus efectos pueden extenderse mucho más lejos de lo que pensábamos».
Los chorros de los agujeros negros son inesperadamente largos en el universo temprano
Hardcastle y sus colegas descubrieron Pophyrion utilizando el radiotelescopio LOw Frequency ARray (LOFAR). Este instrumento europeo ha estado llevando a cabo un estudio del cielo que ha revelado hasta ahora un vasto conjunto de más de 10.000 de estas débiles megaestructuras. Se trata de una cifra que ha sorprendido a los astrónomos, ya que, aunque antes de las observaciones del LOFAR se habían descubierto cientos de estos grandes sistemas de chorros, los astrónomos aún los consideraban relativamente raros.
«Los chorros gigantes eran conocidos antes de que comenzáramos la campaña, pero no teníamos ni idea de que resultarían ser tantos», dijo Hardcastle. «Normalmente, cuando obtenemos una nueva capacidad de observación, como la combinación de LOFAR de amplio campo de visión y muy alta sensibilidad a estructuras extendidas, encontramos algo nuevo, pero aun así fue muy emocionante ver surgir tantos de estos objetos.»
Imagen comentada de los chorros del agujero negro llamado Pophyrion que emergen de un agujero negro supermasivo que existió cuando el universo tenía la mitad de su edad actual (Crédito de la imagen: E. Wernquist / D. Nelson (IllustrisTNG Collaboration) / M. Oei).
El equipo comenzó a cazar chorros de agujeros negros allá por 2018, cuando también empezaron a estudiar los tenues filamentos que cruzan los vacíos entre las galaxias y que los científicos llaman la «red cósmica.» Fue mientras cazaban estos tenues zarcillos cuando el equipo vio por primera vez varias estructuras de chorro de agujero negro sorprendentemente largas.
Cuando encontramos por primera vez los chorros gigantes, nos quedamos bastante sorprendidos», declaró el jefe del equipo, Martin Oei, un becario postdoctoral de Caltech también asociado al Observatorio de Leiden. «No teníamos ni idea de que hubiera tantos».
El equipo utilizó varios métodos para cazar chorros ocultos en los datos de LOFAR, incluido el aprendizaje automático, el escaneo a ojo y la colaboración con científicos ciudadanos de todo el mundo para realizar dobles comprobaciones.
Una vez identificados los chorros de Porphyrion, el equipo recurrió al radiotelescopio de ondas métricas gigantes (GMRT) y al instrumento espectroscópico de energía oscura (DESI) para determinar su punto de origen. Descubrieron que el hogar de este agujero negro supermasivo era una galaxia pesada unas diez veces más masiva que nuestra Vía Láctea. A continuación, los científicos utilizaron el Observatorio W. M. Keck de Hawai para determinar que Porphyrion se origina a 7.500 millones de años luz de la Tierra.
«¿Qué más sabemos sobre esta galaxia y su agujero negro central? No demasiado». dijo Hardcastle. «Sabemos que es una galaxia masiva y que el agujero negro está creciendo rápidamente, pero no sabemos por qué. En principio, todos los agujeros negros del centro galáctico podrían producir estos chorros, pero sólo algunos lo hacen. Averiguar por qué es uno de los problemas clave en este campo.»
Los agujeros negros tenían tiempos de comida prolongados en el universo primitivo
Los datos de W.M. Keck también revelaron algo más sobre Porphyrion. El agujero negro supermasivo del que procede no está en realidad en modo de chorro. En su lugar, el agujero negro se encuentra en un estado denominado modo radiativo, durante el cual un agujero negro pierde energía a través de potentes vientos de partículas.
Ambos estados se asocian a los agujeros negros «alimentadores» o «acreedores», que se encuentran en una fase en la que engullen activamente materia de su entorno y emiten energía como resultado. El modo radiativo era más común en el universo primitivo y lejano, donde los agujeros negros irradiaban energía, mientras que los agujeros negros en modo chorro son más comunes en el universo tardío y local y, como su nombre indica, este modo significa que los agujeros negros expulsan energía en forma de chorros.
Esto fue un shock porque los astrónomos no habían pensado que los agujeros negros en modo radiativo pudieran lanzar chorros tan tremendamente grandes. En la actualidad se desconoce el mecanismo que permitió que este chorro durara lo suficiente como para alcanzar tales longitudes en el turbulento universo primitivo. «Creo que hay dos mensajes para llevar a casa. Uno es que los chorros pueden permanecer encendidos y estables durante tanto tiempo, incluso en el universo relativamente primitivo. Es posible que esta fuente en particular reuniera las condiciones perfectas para una larga vida, pero no lo habríamos esperado en este momento de la historia del universo», afirma Hardcastle. «La otra es que, dado que estas fuentes pueden alcanzar estos grandes tamaños, contaminan el vacío entre las galaxias con campos magnéticos y partículas energéticas, lo que podría tener importantes implicaciones para el estudio de la historia de los campos magnéticos en el universo».
Esta impresión artística muestra sistemas de chorros gigantes que alcanzan la escala de la red cósmica, una vasta red de filamentos que alimenta y conecta galaxias en el universo. (Crédito de la imagen: Martijn Oei (Caltech) / Dylan Nelson (IllustrisTNG Collaboration). Algunos detalles se han realizado con IA).
Hardcastle añadió que su interpretación del tamaño de los gigantescos chorros es que se necesitaría un evento de acreción inusualmente duradero y estable alrededor del agujero negro supermasivo central para permitirle estar activo durante tanto tiempo -unos mil millones de años- y garantizar que los chorros sigan apuntando en la misma dirección durante todo ese tiempo.
«Estos sistemas crecen con el tiempo, por lo que ver una fuente muy grande nos indica que estamos viendo algo muy antiguo. En este caso, creemos que el chorro lleva encendido unos mil millones de años», dijo. «El investigador explicó que si los chorros se hubieran «apagado» o si su eje hubiera cambiado -lo que podría ocurrir, por ejemplo, por la fusión de un agujero negro con otro-, la fuente no podría haber alcanzado este tamaño.
«Debe haber algo sobre el agujero negro y la acreción en este sistema que es extremadamente estable», añadió Hardcastle. «Lo que estamos aprendiendo del gran número de gigantes es que esto debe ser un suceso relativamente común».
El sistema de chorros Alcyoneus, hasta ahora el mayor sistema de chorros visto por la humanidad (Crédito de la imagen: LOFAR Collaboration/WISE/NASA/JPL-Caltech/Martijn Oei (Caltech))
El hecho de que LOFAR fuera capaz de descubrir chorros tan tremendamente grandes no es, en sí mismo, demasiado sorprendente para el equipo.
«Llevamos tiempo preparándonos para esto, ya que ha quedado claro que nuestros nuevos sondeos de radio eran mucho más sensibles que los anteriores y podían detectar estas fuentes débiles y muy extendidas», dijo. «Así que, en cierto sentido, no es sorprendente en absoluto que hayamos batido nuestro propio récord anterior para la más grande detectada – pero las implicaciones para la historia del agujero negro y la historia del campo magnético a gran escala del universo siguen siendo muy interesantes.»
Los próximos pasos del equipo serán investigar cómo influyen estos gigantescos chorros de agujeros negros en las galaxias que los rodean. Oei está especialmente interesado en la influencia magnética de estos chorros.
«El magnetismo de nuestro planeta permite que la vida prospere, así que queremos entender cómo surgió», dijo. «Sabemos que el magnetismo impregna la red cósmica, luego se abre camino en las galaxias y las estrellas, y finalmente en los planetas, pero la pregunta es: ¿Dónde empieza? Han propagado estos chorros gigantes el magnetismo por el cosmos?».
Y si el equipo está en lo cierto, debería haber muchos más chorros masivos de agujeros negros en el cosmos para estudiar.
«Podría haber absolutamente otros chorros de igual tamaño o incluso mayores esperando a ser encontrados», dijo Hardcastle. «En principio, no sabemos de nada que limite el tamaño de estos objetos, y hasta ahora sólo hemos estudiado una octava parte del cielo con LOFAR. Es casi seguro que este y otros telescopios, como el Square Kilometer Array, encontrarán algo más grande antes de que hayamos terminado».
«Para mí, el interés de estos sondeos radica en obtener toda la población, a partir de la cual podemos calcular las implicaciones para la vida activa de todos los agujeros negros a lo largo del tiempo cósmico.»
La investigación del equipo ha sido aceptada para su publicación en la revista Astronomy & Astrophysics.
