El agujero negro más antiguo jamás encontrado plantea más preguntas que respuestas

Desde su lanzamiento, el telescopio espacial James Webb (JWST, por si sigla en inglés) ha batido récords año tras año de galaxia más antigua jamás encontrada, estrella más antigua e incluso agujeros negros. Esto es importante ya que el propósito del telescopio es comprender cómo se formaron las galaxias. Cuanto más lejos está el objeto, más atrás en el tiempo estamos mirando.

Unos 300 millones de años después del Big Bang, tras una era llamada Edad Oscura, se estima que se formaron las primeras estrellas y galaxias. La formación de galaxias sigue siendo una cuestión abierta. Además, los agujeros negros parecen desempeñar un papel importante en la formación y evolución de las galaxias; comprender esto es otro punto clave para los astrofísicos.

El JWST batió un nuevo récord al registrar un agujero negro ubicado a 13000 millones de años luz de distancia. El universo tenía sólo 400 millones de años. Pero lo que sorprendió a los astrónomos es que el agujero negro es mucho más grande de lo esperado para un universo tan joven. ¿Cuál es la razón para esto?

Agujeros negros supermasivos

Una forma de clasificar los agujeros negros es por su masa. Los agujeros negros que tienen una masa superior a unas 10000 masas solares se clasifican como agujeros negros supermasivos. Pueden alcanzar hasta millones o miles de millones de masas solares.

No se sabe cómo se formaron los agujeros negros supermasivos. A pesar de crecer cuando acumulan materia, les sería imposible alcanzar tamaños tan grandes en un periodo menor que la edad del universo. La búsqueda para comprender cómo se formaron continúa con JWST.

Relación entre agujeros negros y galaxias

Como hay un agujero negro en el centro de prácticamente todas las galaxias, se espera buscar la relación entre este y su galaxia anfitriona. A pesar de su reputación de tener un fuerte campo gravitacional, un agujero negro es mucho más pequeño que su galaxia y no influye gravitacionalmente sobre ella a grandes distancias.

Sin embargo, existe una correlación entre la dispersión de velocidades en la parte más interna de la galaxia y la masa del agujero negro. También existe una relación entre la tasa de formación de estrellas y la actividad de un agujero negro. Algunas hipótesis sugieren que hubo una coevolución entre la galaxia y el agujero negro supermasivo del centro.

¿Por qué observar grandes distancias?

Para comprender este proceso, es necesario observar cómo se formaron las galaxias. Se esperaba que las primeras galaxias se formaran cuando el universo tenía 300 o 400 millones de años. En este modelo, las galaxias deberían ser pequeñas y los resultados del JWST muestran que ya eran demasiado grandes para la época.

JWST observa distancias muy grandes en el infrarrojo. Cuanto más lejos miramos, más atrás miramos, ya que la luz tiene una velocidad finita. Además, la expansión del universo también interfiere con la trayectoria de la luz, haciendo que ésta pase a longitudes de onda más largas, como la infrarroja.

Observación de GN-z11

Observando desde una distancia de 13000 millones de años luz, JWST capturó la galaxia GN-z11. Desde 2016, la galaxia ya era conocida por los astrónomos y alguna vez fue conocida como la galaxia más distante jamás registrada, pero perdió su rango en los años siguientes. Sin embargo, ya era extremadamente brillante para su tipo, y por esto mismo es que los astrónomos la investigaban.

Con los datos del JWST fue posible observar la galaxia con más detalle en el infrarrojo. La conclusión a la que llegó el equipo de astrónomos es que hay un agujero negro en el centro alimentándose a un ritmo de aproximadamente 1 Sol cada 5 años. El problema es que el agujero negro tiene 1,6 millones de masas solares y es demasiado grande.

¿Por qué es un misterio?

La idea era que los agujeros negros nacían de las semillas de agujeros negros más pequeños y crecían a partir de allí mediante acreción y fusiones con otros agujeros negros. Se esperaba que este proceso ocurriera durante la transición de la Era de las Tinieblas a la Era de las Estrellas, cuando el universo tenía unos 300 millones de años.

Los agujeros negros deberían ser pequeños en ese momento y comenzarían a crecer a partir de ahí. Con el nuevo descubrimiento se dieron cuenta de que en aquella época los agujeros negros ya eran muy grandes, por lo que ningún modelo actual puede explicar por qué. Con nuevos datos del JWST, se espera que pueda arrojar luz sobre por qué estos objetos ya eran tan grandes en el comienzo del universo.

Referencia de la noticia:
Maiolino, R., Scholtz, J., Witstok, J. et al. A small and vigorous black hole in the early Universe. Nature (2024).