El gráfico muestra el corrimiento al rojo de un agujero negro supermasivo activo. En la esquina superior derecha está la imagen completa del campo NIRCam, que tiene un contorno blanco irregular y es muy pequeña. A su izquierda hay un gran extractor, llamado NIRCam Imaging, que muestra galaxias de varios colores, formas y tamaños en la mayor parte del orden superior. Un pequeño cuadro blanco abierto a la derecha y una línea dibujada en la imagen más grande a la izquierda. El recuadro presenta un punto rojo borroso más grande con dos puntos verdes a la izquierda y a la derecha. El ascensor tiene la etiqueta CEERS 1019, 13.200 millones de años. La fila inferior muestra un gráfico de líneas etiquetado como Espectroscopía de matriz de microobturador NIRSpec. Muestra los datos en blanco, el modelo en amarillo marcado con el gas más rápido alrededor del agujero negro y el segundo modelo representado por la línea morada que está marcada con el gas más lento en la galaxia. Para obtener más información, consulte Descripción ampliada. Fuente: NASA
Es una bonanza: el universo está absolutamente lleno de agujeros negros. Los científicos saben esto desde hace mucho tiempo, pero los agujeros negros menos masivos que existían en el universo primitivo eran demasiado débiles para detectarlos, es decir, hasta que el telescopio espacial James Webb comenzó a hacer observaciones. Los científicos detrás del estudio Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) se encuentran entre los primeros en comenzar a seleccionar estos objetos brillantes y extremadamente distantes de las imágenes y datos altamente detallados de Webb.
Primero, el agujero negro supermasivo activo más distante que se haya encontrado, poco más de 570 millones de años después del Big Bang. Es más pequeño, más parecido a la masa del agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, que los “monstruos” extremadamente grandes que hemos visto antes con otros telescopios.
Los científicos de CEERS también han identificado dos pequeños agujeros negros más en el universo primitivo, así como casi una docena de galaxias muy distantes. Estos hallazgos preliminares sugieren que los agujeros negros y las galaxias menos masivos pueden haber sido más comunes en el universo primitivo de lo que se había demostrado previamente.
Los científicos han descubierto el agujero negro supermasivo activo más distante hasta la fecha utilizando el Telescopio Espacial James Webb. La galaxia, CEERS 1019, existió poco más de 570 millones de años después del Big Bang, y su agujero negro es menos masivo que cualquier otro identificado hasta ahora en el universo primitivo. Además, fácilmente “sacudieron” dos agujeros negros más, que también están en el lado más pequeño y existieron 1 y 1.100 millones de años después del Big Bang.
Webb también identificó once galaxias que existieron cuando el universo tenía entre 470 y 675 millones de años. La evidencia fue proporcionada por la Encuesta científica de lanzamiento temprano de evolución cósmica (CEERS) de Webb, dirigida por Steven Finkelstein de la Universidad de Texas en Austin. El programa combina imágenes altamente detalladas de infrarrojo cercano y medio de Webb y datos conocidos como espectros, todos los cuales se utilizaron para hacer estos descubrimientos.
CEERS 1019 es notable no solo por cuánto tiempo existió, sino también por el peso relativamente pequeño del agujero negro. Este agujero negro tiene unos 9 millones de masas solares, mucho menos que otros agujeros negros que también existieron en el universo primitivo y que han sido detectados por otros telescopios. Estos gigantes suelen tener una masa de más de mil millones de masas solares y son más fáciles de detectar porque son mucho más brillantes. (Están “comiendo” activamente materia que se enciende a medida que gira hacia el agujero negro).
El agujero negro en CEERS 1019 es más similar al agujero negro en el centro de nuestra Vía Láctea, que tiene una masa de 4,6 millones de veces la del sol. Este agujero negro tampoco es tan brillante como los gigantes más masivos detectados anteriormente. Aunque más pequeño, este agujero negro existió mucho antes, por lo que aún es difícil explicar cómo se formó tan pronto después de la creación del universo.
Los científicos saben desde hace mucho tiempo que los agujeros negros más pequeños deben haber existido antes en el universo, pero no fue hasta que Webb comenzó a observar que pudieron hacer los descubrimientos definitivos. (Es posible que CEERS 1019 solo mantenga este récord durante unas pocas semanas: las afirmaciones sobre otros agujeros negros más distantes identificados por Webb están siendo examinadas de cerca por la comunidad astronómica).
Los datos de Webb están prácticamente repletos de información precisa que hace que estas confirmaciones sean tan fáciles de extraer de los datos. “Mirar este objeto distante con este telescopio es muy similar a mirar datos de agujeros negros que existen en galaxias cercanas a la nuestra”, dijo Rebecca Larson de la Universidad de Texas en Austin, quien dirigió el descubrimiento. “¡Hay tantas líneas espectrales para analizar!”
El equipo no solo pudo descifrar qué emisiones en el espectro provenían del agujero negro y cuáles de su galaxia anfitriona, sino que también pudieron determinar cuánto gas absorbía el agujero negro y la tasa de formación de estrellas en su galaxia.
El equipo descubrió que esta galaxia está consumiendo tanto gas como puede mientras produce nuevas estrellas. Recurrieron a las imágenes para explorar por qué esto es así. Visualmente, CEERS 1019 aparece como tres cúmulos brillantes en lugar de un solo disco circular. “No estamos acostumbrados a ver una estructura tan grande en imágenes desde tal distancia”, dijo Jeyhan Kartaltepe, miembro del equipo de CEERS, del Instituto de Tecnología de Rochester en Nueva York.
“La fusión de galaxias puede ser en parte responsable de alimentar la actividad de los agujeros negros en esa galaxia, y esto también puede conducir a una mayor formación de estrellas”.
Agujeros negros más distantes, las galaxias entran en escena
El estudio CEERS es extenso y hay mucho más por descubrir. El miembro del equipo Dale Kocevski de Colby College en Waterville, Maine, y el equipo detectaron rápidamente otro par de pequeños agujeros negros en los datos. El primero, en la galaxia CEERS 2782, fue el más fácil de detectar. No hay polvo que oscurezca la vista de Webb, por lo que los investigadores pudieron determinar de inmediato cuándo existió el agujero negro en la historia del universo, solo 1.100 millones de años después del Big Bang.
El segundo agujero negro, en la galaxia CEERS 746, existió un poco antes, mil millones de años después del Big Bang. Su brillante disco de acreción, un anillo de gas y polvo que rodea el agujero negro supermasivo, aún está parcialmente oscurecido por el polvo. “El agujero negro central es visible, pero la presencia de polvo sugiere que puede estar en una galaxia que también está bombeando estrellas con furia”, explicó Kocevski.
Al igual que el de CEERS 1019, estos dos agujeros negros también son “ligeros”, al menos en comparación con los agujeros negros supermasivos conocidos anteriormente a estas distancias. Son sólo unas 10 millones de veces más masivos que el Sol. “Los científicos saben desde hace mucho tiempo que los agujeros negros de menor masa deben haber existido en el universo primitivo. Webb es el primer observatorio que lo captura con tanta claridad”, agregó Kocevski. “Ahora pensamos que los agujeros negros de menor masa podrían estar en todas partes, esperando ser descubiertos”.
Antes de Webb, los tres agujeros negros eran demasiado débiles para ser detectados. “Con otros telescopios, estos objetivos parecen galaxias ordinarias con brotes estelares, no agujeros negros supermasivos activos”, agregó Finkelstein.
Los espectros sensibles de Webb también permitieron a estos investigadores medir las distancias exactas y, por lo tanto, las edades de las galaxias en el universo primitivo. Los miembros del equipo Pablo Arrabal Haro de NOIRLab NSF y Seiji Fujimoto de la Universidad de Texas en Austin identificaron 11 galaxias que existieron entre 470 y 675 millones de años después del Big Bang. No solo son extremadamente distantes, sino que el hecho de que se hayan detectado tantas galaxias brillantes es notable.
Los investigadores teorizaron que Webb detectaría menos galaxias de las que hay a estas distancias. “Estoy abrumado por la cantidad de espectros muy detallados de galaxias lejanas enviados por Webb”, dijo Arrabal Haro. “Estas cifras son absolutamente increíbles”.
Estas galaxias están formando estrellas rápidamente, pero aún no están tan enriquecidas químicamente como las galaxias que están mucho más cerca de casa. “Webb fue el primero en descubrir algunas de estas galaxias”, explicó Fujimoto. “Este conjunto, junto con otras galaxias distantes que podamos identificar en el futuro, podría cambiar nuestra comprensión de la formación de estrellas y la evolución de las galaxias a lo largo de la historia cósmica”, agregó.
Estos son solo los primeros resultados innovadores del estudio CEERS. “Hasta ahora, el estudio de los objetos en el universo primitivo ha sido en gran medida teórico”, dijo Finkelstein. “Gracias a Webb, no solo podemos ver agujeros negros y galaxias desde distancias extremas, ahora podemos comenzar a medirlos con precisión. Ese es el gran poder de este telescopio”.
En el futuro, es posible que los datos de Webb también puedan usarse para explicar cómo se formaron los primeros agujeros negros mediante la revisión de los modelos científicos de crecimiento y evolución de los agujeros negros durante los primeros cientos de millones de años de la historia del universo.
Varios artículos sobre los datos de la encuesta CEERS han sido aceptados por Cartas de una revista de astrofísica. Actualmente están disponibles en arXiv servidor de preimpresión.