Los agujeros negros y los quásares se formaron menos de mil millones de años después del Big Bang

Parecen existir agujeros negros supermasivos en el centro de cada galaxia y se remontan a algunas de las primeras galaxias del universo. No tenemos idea de cómo llegaron allí. No debería ser posible que crezcan desde restos de supernova hasta tamaños enormes tan rápido como lo hacen. No conocemos ningún otro mecanismo que pueda formar algo lo suficientemente grande como para que un crecimiento exponencial no sea necesario.

La aparente imposibilidad de que existieran agujeros negros supermasivos en el universo primitivo era en realidad un problema menor; El telescopio espacial James Webb ha empeorado las cosas al encontrar ejemplos previos de galaxias con agujeros negros supermasivos. En el último ejemplo, los investigadores utilizaron Webb para caracterizar un cuásar impulsado por un agujero negro supermasivo, tal como existía unos 750 millones de años después del Big Bang. Y parece sorprendentemente normal.

Mirando hacia atrás en el tiempo

Los cuásares son los objetos más brillantes del universo y están alimentados activamente por agujeros negros supermasivos. La galaxia que los rodea les proporciona suficiente material para formar brillantes discos de acreción y potentes chorros, los cuales emiten grandes cantidades de radiación. A menudo están parcialmente cubiertos de polvo, que brilla como resultado de absorber parte de la energía emitida por el agujero negro. Estos quásares emiten tanta radiación que eventualmente expulsan por completo parte del material cercano fuera de la galaxia.

Entonces, la presencia de estas características en el universo temprano nos diría que los agujeros negros supermasivos no solo existieron en el universo temprano, sino que también se incorporaron a las galaxias como lo están más recientemente. Pero sus estudios fueron muy difíciles. Para empezar, no hemos identificado a muchos de ellos; Sólo hay nueve quásares que datan de antes, cuando el universo tenía 800 millones de años. Debido a esta distancia, es difícil identificar características, y el corrimiento al rojo causado por la expansión del universo toma la intensa radiación ultravioleta de muchos elementos y la extiende hacia el infrarrojo profundo.

Sin embargo, el telescopio Webb fue diseñado específicamente para detectar objetos en el universo temprano a través de su sensibilidad a las longitudes de onda infrarrojas donde aparece esta radiación. Así que la nueva investigación se basa en apuntar a Webb hacia el primero de los nueve cuásares descubiertos, J1120+0641.

Y parece… notablemente normal. O al menos muy similares a los quásares de períodos más recientes de la historia del universo.

Mayormente normal

Los investigadores analizaron la continuidad de la radiación del quásar y encontraron indicios claros de que estaba incrustado en una masa de material caliente y polvoriento, como se vio en quásares posteriores. Este polvo es un poco más caliente que algunos quásares modernos, pero parece ser una característica común de estos objetos en las primeras etapas de la historia del universo. La radiación del disco de acreción también aparece en el espectro de emisión.

Diferentes métodos para estimar los valores producidos en masa para un agujero negro en la región de 10⁹ Muchas veces la masa del Sol, colocándolo claramente en la región del agujero negro supermasivo. También hay evidencia, a partir de un ligero desplazamiento hacia el azul en parte de la radiación, de que el cuásar está expulsando material a una velocidad de unos 350 kilómetros por segundo.

Hay algunas rarezas. La primera es que el material también parece caer hacia el interior a unos 300 kilómetros por segundo. Esto podría deberse a que el material se aleja de nosotros en el disco de acreción. Pero si es así, debe ser alcanzado por material que gira hacia nosotros en el otro lado del disco. Esto se ha observado varias veces en quásares muy tempranos, pero los investigadores reconocen que «se desconoce el origen físico de este efecto».

Una opción que sugieren como explicación es que todo el cuásar se está moviendo, sacudido de su posición en el centro galáctico por una fusión previa con otro agujero negro supermasivo.

Otra cosa extraña es que también hay un flujo muy rápido de carbono altamente ionizado, que se mueve dos veces más rápido que en los cuásares de épocas posteriores. Hemos visto esto antes, pero tampoco hay explicación para ello.

¿Cómo pasó esto?

A pesar de las rarezas, este objeto se parece mucho a los quásares recientes: “Nuestras observaciones muestran que las estructuras complejas del toro polvoriento y de la estrella [accretion disk] Puede demostrar su valía en torno a un [supermassive black hole] «Menos de 760 millones después del Big Bang».

Una vez más, esto supone un pequeño problema porque sugiere la presencia de un agujero negro supermasivo incrustado en su galaxia anfitriona muy temprano en la historia del universo. Para alcanzar el tipo de tamaños que se muestran aquí, los agujeros negros empujan lo que se llama el límite de Eddington, que es la cantidad de material que pueden atraer antes de que la radiación resultante expulse el material cercano, sofocando el suministro de alimento del agujero negro.

Esto sugiere dos opciones. La primera es que estos objetos absorbieron material mucho más allá del límite de Eddington durante la mayor parte de su historia, algo que no hemos observado y ciertamente no es cierto en el caso de este cuásar. La otra opción es que empezaran a lo grande (alrededor de las 10⁴ veces la masa del Sol) y continuó alimentándose a un ritmo más razonable. Pero no sabemos realmente cómo se pudo formar algo tan grande.

Por tanto, el universo primitivo sigue siendo un lugar algo confuso.

Astronomía Natural, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 (Acerca de las identificaciones digitales).