El Hubble arroja luz sobre los orígenes de los agujeros negros supermasivos

Los astrónomos han identificado un agujero negro de rápido crecimiento en el universo primitivo que se considera un “eslabón perdido” crucial entre las galaxias jóvenes formadoras de estrellas y los primeros agujeros negros supermasivos. Los investigadores utilizaron datos del telescopio espacial Hubble de la NASA para hacer este descubrimiento.

Hasta ahora, el monstruo, apodado GNz7q, había estado acechando desapercibido en una de las áreas mejor estudiadas del cielo nocturno, el campo del Sondeo Profundo de Orígenes con los Grandes Observatorios en el cielo del Norte (GOODS Norte, por sus siglas en inglés).

Los datos de archivo del Hubble obtenidos con la Cámara avanzada para sondeosdel Hubble ayudaron al equipo a determinar que GNz7q existió apenas 750 millones de años después del Big Bang. El equipo obtuvo evidencia de que GNz7q es un agujero negro recién formado. El Hubble encontró una fuente compacta de luz ultravioleta (UV) e infrarroja. Esto no podría ser causado por emisiones provenientes de galaxias, pero es consistente con la radiación esperada de materiales que caen en un agujero negro.

Los agujeros negros que crecen rápidamente en primitivas y polvorientas galaxias formadoras de estrellas han sido pronosticados por teorías y simulaciones por computadora, pero no se habían observado hasta ahora.

“Nuestro análisis sugiere que GNz7q es el primer ejemplo de un agujero negro de rápido crecimiento en el núcleo polvoriento de una galaxia starburst [con brotes de formación estelar], en una época cercana al agujero negro supermasivo más antiguo conocido en el universo”, explicó Seiji Fujimoto, astrónomo del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague y autor principal del artículo de investigación publicado en la revista Nature que describe este descubrimiento. “Las propiedades del objeto en todo el espectro electromagnético están en excelente acuerdo con las predicciones obtenidas con las simulaciones teóricas”.

Uno de los misterios más destacados de la astronomía actual es: ¿cómo es que los agujeros negros supermasivos, con un peso de millones a miles de millones de veces la masa del Sol, llegan a ser tan grandes con tanta rapidez?

Las teorías actuales predicen que los agujeros negros supermasivos comienzan su vida en los núcleos envueltos en polvo de las galaxias starburst que tienen intensos estallidos de formación estelar, antes de expulsar el gas y el polvo circundantes y emerger como cuásares muy luminosos. Aunque son extremadamente raros, tanto estas polvorientas galaxias starburst como los cuásares luminosos han sido detectados en el universo primitivo.

El equipo cree que GNz7q podría ser un eslabón perdido entre estas dos clases de objetos. GNz7q tiene exactamente los aspectos de la polvorienta galaxia starburst y el cuásar, donde la luz del cuásar muestra el color enrojecido por el polvo. Además, GNz7q carece de diversas características que generalmente se observan en cuásares típicos muy luminosos (correspondientes a las emisiones producidas por el disco de acrecimiento del agujero negro supermasivo), lo que muy probablemente se explica porque el agujero negro central en GN7q todavía se encuentra en una fase joven y menos masiva. Estas propiedades coinciden perfectamente con el joven cuásar en fase de transición que se ha pronosticado en simulaciones, pero nunca se había identificado en un universo con un desplazamiento al rojo similarmente alto como el de los cuásares muy luminosos, identificados hasta ahora con un desplazamiento al rojo de hasta 7.6.

“GNz7q proporciona una conexión directa entre estas dos poblaciones raras y proporciona una nueva vía para comprender el rápido crecimiento de los agujeros negros supermasivos en los primeros días del universo”, continuó Fujimoto. “Nuestro descubrimiento proporciona un ejemplo de los precursores de los agujeros negros supermasivos que observamos en épocas posteriores”.

Aunque no se pueden descartar por completo otras interpretaciones de los datos del equipo, las propiedades observadas de GNz7q están muy de acuerdo con las predicciones teóricas. La galaxia anfitriona de GNz7q está formando estrellas a un ritmo de 1.600 masas solares por año, y GNz7q en sí parece brillante en longitudes de onda UV, pero muy débil en longitudes de onda de rayos X.

Generalmente, el disco de acrecimiento de un agujero negro masivo debe ser muy brillante tanto en luz UV como en rayos X. Pero esta vez, aunque el equipo detectó luz UV con el Hubble, la luz de rayos X era invisible incluso con uno de los conjuntos de datos de rayos X más profundos. Estos resultados sugieren que el núcleo del disco de acrecimiento, donde se originan los rayos X, todavía está oscurecido; mientras que la parte externa del disco de acrecimiento, donde se origina la luz UV, está cada vez menos oscurecida. Esta interpretación es que GNz7q es un agujero negro de rápido crecimiento todavía oscurecido por el núcleo polvoriento de su galaxia anfitriona formadora de estrellas.

“GNz7q es un descubrimiento único que fue hallado justo en el centro de un campo del cielo famoso y bien estudiado. Esto muestra que los grandes descubrimientos a menudo se pueden ocultar justo frente a uno”, comentó Gabriel Brammer, otro astrónomo del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague y miembro del equipo que obtuvo este resultado. “Es poco probable que descubrir GNz7q dentro del área relativamente pequeña del sondeo de GOODS Norte fuera solo una coincidencia afortunada, sino más bien que la prevalencia de fuentes como esta puede ser significativamente mayor de lo que se pensaba anteriormente”.

Encontrar a GNz7q escondido a plena vista solo fue posible gracias a los conjuntos de datos de longitud de onda múltiple y detalles únicos disponibles para GOODS Norte. Sin esta riqueza de datos, habría sido fácil pasar por alto a GNz7q, ya que carece de las características distintivas que suelen ser utilizadas para identificar los cuásares en el universo primitivo. Ahora, el equipo espera buscar sistemáticamente objetos similares utilizando sondeos de alta resolución dedicados y aprovechando los instrumentos espectroscópicos del telescopio espacial James Webb de la NASA para estudiar objetos como GNz7q con detalles sin precedentes.

“Con el telescopio espacial James Webb, será posible caracterizar completamente estos objetos y estudiar su evolución y la física subyacente con mucho mayor detalle”, concluyó Fujimoto. “Una vez que esté en operación regular, el Webb tendrá el poder de determinar de manera decisiva qué tan comunes son realmente estos agujeros negros de rápido crecimiento”.

El telescopio espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la Agencia Espacial Europea. El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI, por sus siglas en inglés) en Baltimore, Maryland, lleva a cabo las operaciones científicas del Hubble. El STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía, en Washington D.C.

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