Mientras examinaban algunas de las galaxias más antiguas del universo, los investigadores descubrieron una galaxia que parece contener un agujero negro central que se alimenta activamente. Según la cantidad de radiación que emite, los investigadores estiman que representa aproximadamente la mitad de la masa de toda la galaxia, lo que es sorprendentemente alto en comparación con las galaxias modernas.
El hecho de que un objeto tan grande sólo pudiera existir 500 millones de años después del Big Bang impone restricciones estrictas sobre cómo se formó, lo que sugiere fuertemente que los agujeros negros supermasivos se formaron sin pasar por un paso intermedio que involucrara una estrella.
viejas radiografias
Las primeras galaxias que conocemos en el universo se identificaron utilizando el Telescopio Espacial James Webb, que aprovechó un cúmulo de galaxias en primer plano que se acercaba a galaxias distantes a través de lentes gravitacionales. Utilizando la lente proporcionada por un conjunto específico, Webb identificó 11 galaxias que fueron fotografiadas porque existieron menos de mil millones de años después del Big Bang.
Un equipo internacional de astrónomos decidió examinar estas galaxias para confirmar la existencia de agujeros negros supermasivos situados en el centro de las galaxias modernas. Cuando estas galaxias se alimentan, emiten grandes cantidades de rayos X, por lo que los investigadores recurrieron al Chandra Para recopilar suficientes datos, Chandra pasó hasta dos semanas fotografiando un lugar.
Hubo una clara coincidencia con una galaxia llamada UHZ1, que fue ampliada casi cuatro veces por lentes gravitacionales. Los rayos X de este lugar sobresalían del fondo en cuatro desviaciones estándar. (Puede haber información sobre los rayos X asociados con las otras 10 galaxias, pero los investigadores dicen que la publicarán por separado). UHZ1 tiene un corrimiento al rojo de z=10, lo que significa que la estamos observando tal como existía hace unos 500 millones. años después del Big Bang.
La cantidad de energía proveniente de esta fuente de rayos X corresponde a los núcleos galácticos activos, que son objetos que obtienen su energía de un agujero negro supermasivo ubicado en el centro de la galaxia. Según las longitudes de onda detectadas, los investigadores creen que el objeto está contenido en una capa de polvo y gas dentro de su galaxia anfitriona.
¿A qué velocidad se alimenta un agujero negro?
Para comprender estos resultados, es necesario comprender el límite de Eddington, que determina la rapidez con la que un agujero negro fusiona el material de su entorno. Lleva el nombre de Arturo Eddington, que realizó los primeros cálculos, el límite estaba determinado por el hecho de que la materia debía perder energía para caer en el agujero negro, de lo contrario simplemente permanecería en órbita a su alrededor. Esta energía se perderá en forma de radiación, que será absorbida por la materia cercana y alejada del agujero negro.
Como resultado, incluso si hay mucho material disponible para que un agujero negro se alimente, su dieta termina siendo limitada: se alimenta de demasiado y la radiación ahoga su suministro de alimentos. Entonces, dada la masa del agujero negro, el límite de Eddington se puede calcular como la cantidad máxima de materia que puede contener en un tiempo determinado.
Hay formas de superar el límite de Eddington si se dirige material hacia el agujero negro. Pero estos requieren composiciones muy específicas de gas que alimentan el material directamente debajo del pozo de gravedad, por lo que se cree que la sobrealimentación de Eddington es una aberración temporal.
La primera forma en que entra en juego el límite de Eddington es que ayuda a los investigadores a estimar el tamaño del agujero negro. Dada la cantidad de energía que está emitiendo y asumiendo que se está alimentando en el límite de Eddington, se puede poner un límite inferior a la masa del agujero negro (si se estuviera alimentando por debajo del límite de Eddington, sería más pesado). Según este cálculo, el agujero negro en UHZ1 debe tener al menos 107 veces la masa del sol.
Según las estimaciones de la masa de las estrellas en UHZ1, esto sugiere que el agujero negro central representa la mitad de la masa de la galaxia. O para decirlo de otra manera, el agujero negro es casi tan masivo como todo lo demás en la galaxia combinado.
En el universo actual, los agujeros negros supermasivos centrales representan sólo alrededor del 0,1% de la masa de sus galaxias. Entonces, esto sugiere que capturamos UHZ1 en una etapa muy temprana de su desarrollo, lo cual no es sorprendente, dada su edad.
Cómo construir un agujero negro supermasivo
Este trabajo también tiene implicaciones importantes para la formación de agujeros negros supermasivos. Había dos ideas sobre cómo podría desarrollarse algo de este tamaño. Una idea es que las primeras estrellas eran muy grandes y que formaron agujeros negros inusualmente grandes. Estas habrían crecido rápidamente mediante fusiones, alimentándose del denso ambiente de gas presente en las primeras galaxias.
La opinión contraria es que este crecimiento se habría producido con demasiada lentitud. En cambio, la gente argumenta que los agujeros negros supermasivos siempre han sido muy grandes y se formaron muy temprano en la historia del universo mediante el colapso directo de nubes de gas extremadamente densas.
Los investigadores realizaron los cálculos, asumiendo que el agujero negro se formó unos 200 millones de años después del Big Bang. Descubrieron que un agujero negro formado por el colapso directo de una nube de gas necesitaría alimentarse en el límite de Eddington a lo largo de toda su historia para alcanzar la masa que se encuentra en UHZ1. Por el contrario, un agujero negro creado por una supernova de una de las primeras estrellas tendría que alimentarse al doble del límite de Eddington a lo largo de toda su historia.
Este análisis no tiene en cuenta las fusiones, pero los investigadores señalan que un agujero negro más pequeño tendría una atracción gravitacional relativamente pequeña, por lo que no sería capaz de capturar tantos de sus vecinos para fusionarse. Aunque la sobrealimentación de Eddington es posible, es poco probable que dure los cientos de millones de años necesarios para construir un agujero negro de este tamaño.
Es importante tratar este resultado con cierta cautela, ya que se trata del primer agujero negro supermasivo que hemos podido someter a este tipo de análisis. Pero a medida que Webb se acostumbre a aprender más sobre estas galaxias tempranas, probablemente seremos capaces de desarrollar un conjunto completo de agujeros negros tempranos para analizar. En última instancia, esto puede darnos una imagen más clara de su formación y desarrollo.
Astronomía Física, 2023. DOI: 10.1038/s41550-023-02111-9 (Acerca de las identificaciones digitales).
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