Los astrónomos han identificado un agujero negro de rápido crecimiento en el universo primitivo, que se considera un “eslabón perdido” entre las galaxias jóvenes en formación estelar y los primeros agujeros negros supermasivos. Utilizaron datos del Telescopio Espacial Hubble de la NASA para hacer este descubrimiento.
Hasta ahora, el agujero negro supermasivo apodado GNz7q, había estado acechando desapercibido en una de las áreas mejor estudiadas del cielo nocturno, el campo Great Observatories Origins Deep Survey-North (GOODS-North).
Los datos de archivo de la Advanced Camera for Surveys del Hubble ayudaron al equipo a determinar que GNz7q existió solo 750 millones de años después del Big Bang. El equipo obtuvo datos de que GNz7q es un agujero negro recién formado. El Hubble encontró una fuente compacta de luz ultravioleta (UV) e infrarroja. Esta no podría ser causada por la emisión de las galaxias, pero es consistente con la radiación esperada de los materiales que caen sobre un agujero negro.
Las teorías y las simulaciones informáticas predicen los agujeros negros de rápido crecimiento en las polvorientas galaxias de formación estelar temprana, 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, con estallido estelar en una época cercana al primer agujero negro supermasivo conocido en el universo”, explicó Seiji Fujimoto, astrónomo del Niels Bohr Institute de la Universidad de Copenhague y autor principal del artículo de Nature que describe este descubrimiento. “Las propiedades del objeto en todo el espectro electromagnético están en excelente acuerdo con las predicciones de las simulaciones teóricas”.
Uno de los misterios pendientes en la astronomía actual es: ¿cómo llegaron a ser tan grandes tan rápido los agujeros negros supermasivos, que pesan entre millones y miles de millones de veces la masa del Sol?
Las teorías actuales predicen que los agujeros negros supermasivos comienzan su vida en los núcleos envueltos en polvo de las galaxias con “estallido estelar”, formadoras de estrellas antes de expulsar el gas y el polvo circundantes y emerger como cuásares extremadamente luminosos. Si bien son extremadamente raros, tanto estas polvorientas galaxias con estallido estelar como los cuásares luminosos se han detectado en el universo primitivo.
Créditos: Ilustración: NASA, ESA, N. Bartmann.
El equipo cree que GNz7q podría ser el eslabón perdido entre estas dos clases de objetos. GNz7q tiene exactamente los dos aspectos de galaxia polvorienta con estallido estelar y el cuásar, donde la luz del cuásar muestra el color enrojecido del polvo. Además, GNz7q carece de varias características que generalmente se observan en los típicos cuásares muy luminosos (correspondientes a la emisión del disco de acreción del agujero negro supermasivo), lo que probablemente se explica porque el agujero negro central en GN7q todavía se encuentra en un estado joven y en una fase menos masiva. Estas propiedades coinciden perfectamente con el cuásar joven en fase de transición que se ha predicho en las simulaciones, pero que nunca se identificó en un universo con un corrimiento al rojo, similar al de los cuásares muy luminosos identificados hasta ahora con un corrimiento al rojo de 7,6.
“GNz7q proporciona una conexión directa entre estas dos extrañas poblaciones, 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”.
Si bien no se pueden descartar por completo otras interpretaciones de los datos del equipo, las propiedades observadas de GNz7q están en fuerte acuerdo con las predicciones teóricas. La galaxia anfitriona de GNz7q está formando estrellas a un ritmo de 1.600 masas solares por año, y la propia GNz7q parece brillante en longitudes de onda ultravioleta, pero muy débil en longitudes de onda de rayos X.
En general, el disco de acreción de un agujero negro masivo debe ser muy brillante, tanto en luz ultravioleta como en rayos X. Pero esta vez, aunque el equipo detectó luz ultravioleta con el Hubble, la luz de rayos X fue invisible incluso con uno de los conjuntos de datos de rayos X más profundos. Estos resultados sugieren que el núcleo del disco de acreción, donde se originan los rayos X, todavía está oscurecido; mientras que la parte exterior del disco de acreción, donde se origina la luz ultravioleta, se está despejando. Esta interpretación sostiene que GNz7q es un agujero negro de rápido crecimiento aún oscurecido por el polvoriento núcleo de su galaxia anfitriona de formación estelar.
“GNz7q es un descubrimiento único que se encontró justo en el centro de un campo celeste famoso y bien estudiado; muestra que los grandes descubrimientos a menudo se pueden ocultar justo frente a ti”, comentó Gabriel Brammer, otro astrónomo del Niels Bohr Institute, de la Universidad de Copenhague, y miembro del equipo que ha revelado este resultado. “Es poco probable que el descubrimiento de GNz7q dentro del área de estudio relativamente pequeña de GOODS-North haya sido simplemente ‘un golpe de suerte’, ya que la prevalencia de tales fuentes puede ser significativamente mayor de lo que se pensaba anteriormente”.
Encontrar GNz7q escondido a simple vista solo fue posible gracias a los conjuntos de datos de longitud de onda múltiple con detalles únicos disponibles para GOODS-North. Sin esta riqueza de datos, GNz7q habría sido fácil de pasar por alto, ya que carece de las características distintivas que generalmente se usan para identificar los cuásares en el universo primitivo. El equipo ahora espera buscar sistemáticamente objetos similares utilizando estudios dedicados de alta resolución y aprovechar los instrumentos espectroscópicos del telescopio espacial James Webb de la NASA, para estudiar objetos como GNz7q con un detalle sin precedentes.
“La caracterización completa de estos objetos, el sondeo de su evolución y la física subyacente con mucho más detalle será posible con el Telescopio Espacial James Webb”, concluyó Fujimoto. “Una vez que esté en funcionamiento, Webb tendrá el poder de determinar de manera decisiva lo realmente comunes que son estos agujeros negros de rápido crecimiento”.
El Telescopio Espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Space Telescope Science Institute (STScI) en Baltimore, Maryland, lleva a cabo operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía, en Washington, D.C.
Edición: R. Castro.