El telescopio espacial James Webb ha realizado uno de los hallazgos más inesperados en su primer año de servicio:un gran número de pequeños puntos rojos débiles en el universo distante podría cambiar la forma en que entendemos la génesis de los agujeros negros supermasivos.
La investigación, dirigida por Jorryt Matthee, profesor asistente de astrofísica en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA), se publica ahora en The Astrophysical Journal. .
Un montón de pequeños puntos rojos encontrados en una pequeña región de nuestro cielo nocturno podrían ser un avance inesperado para el Telescopio Espacial James Webb (JWST) durante su primer año de servicio. Estos objetos eran indistinguibles de las galaxias normales a través de los "ojos" del antiguo Telescopio Espacial Hubble.
"Sin haber sido desarrollado para este propósito específico, el JWST nos ayudó a determinar que pequeños puntos rojos débiles, encontrados muy lejos en el pasado distante del universo, son versiones pequeñas de agujeros negros extremadamente masivos. Estos objetos especiales podrían cambiar la forma en que Pensemos en la génesis de los agujeros negros", afirma Matthee, profesor asistente en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA) y autor principal del estudio.
"Los hallazgos actuales podrían acercarnos un paso más a la respuesta a uno de los mayores dilemas de la astronomía:según los modelos actuales, algunos agujeros negros supermasivos en el universo primitivo simplemente han crecido 'demasiado rápido'. Entonces, ¿cómo se formaron?"
Los científicos habían considerado durante mucho tiempo los agujeros negros una curiosidad matemática, hasta que su existencia se hizo cada vez más evidente. Estos extraños pozos cósmicos sin fondo podrían tener masas tan compactas y gravedades tan fuertes que nada puede escapar a su fuerza de atracción; aspiran cualquier cosa, incluido el polvo cósmico, los planetas y las estrellas, y deforman el espacio y el tiempo a su alrededor de tal manera que ni siquiera la luz puede escapar.
La teoría general de la relatividad, publicada por Albert Einstein hace más de un siglo, predijo que los agujeros negros podrían tener cualquier masa. Algunos de los agujeros negros más intrigantes son los agujeros negros supermasivos (SMBH), que podrían alcanzar de millones a miles de millones de veces la masa del sol. Los astrofísicos coinciden en que hay un SMBH en el centro de casi todas las galaxias grandes. La prueba de que Sagitario A* es un SMBH en el centro de nuestra galaxia con más de cuatro millones de veces la masa del Sol le valió el Premio Nobel de Física 2020.
Sin embargo, no todas las SMBH son iguales. Si bien Sagitario A* podría compararse con un volcán dormido, algunos SMBH crecen extremadamente rápido al engullir cantidades astronómicas de materia. Por lo tanto, se vuelven tan luminosos que pueden observarse hasta el borde del universo en constante expansión. Estos SMBH se llaman cuásares y se encuentran entre los objetos más brillantes del universo.
"Un problema con los cuásares es que algunos de ellos parecen ser demasiado masivos, demasiado masivos dada la edad del universo en la que se observan. Los llamamos los 'cuásares problemáticos'", dice Matthee.
"Si consideramos que los quásares se originan a partir de explosiones de estrellas masivas y que conocemos su tasa máxima de crecimiento por las leyes generales de la física, parece que algunos de ellos han crecido más rápido de lo que es posible. Es como mirar un período de cinco años. "Un niño viejo que mide dos metros. Algo no cuadra", explica.
¿Quizás las PYME podrían crecer incluso más rápido de lo que pensábamos originalmente? ¿O se forman de manera diferente?
Ahora, Matthee y sus colegas identifican una población de objetos que aparecen como pequeños puntos rojos en las imágenes JWST. Además, demuestran que estos objetos son SMBH, pero no demasiado masivos.
Para determinar que estos objetos son SMBH fue fundamental la detección de líneas de emisión espectral Hα con perfiles de línea anchos. Las líneas Hα son líneas espectrales en la región de color rojo intenso de la luz visible que se emiten cuando se calientan átomos de hidrógeno. La anchura del espectro sigue el movimiento del gas.
"Cuanto más ancha es la base de las líneas Hα, mayor es la velocidad del gas. Por lo tanto, estos espectros nos dicen que estamos ante una nube de gas muy pequeña que se mueve extremadamente rápido y orbita algo muy masivo como un SMBH", dice Matthee. /P>
Sin embargo, los pequeños puntos rojos no son los monstruos cósmicos gigantes que se encuentran en los SMBH demasiado masivos.
"Mientras que los 'cuásares problemáticos' son azules, extremadamente brillantes y alcanzan miles de millones de veces la masa del Sol, los pequeños puntos rojos se parecen más a 'bebés quásares'. Sus masas oscilan entre diez y cien millones de masas solares. Además, aparecen rojos porque están llenos de polvo. El polvo oscurece los agujeros negros y enrojece los colores", afirma Matthee.
Pero eventualmente, la salida de gas de los agujeros negros perforará el capullo de polvo y los gigantes evolucionarán a partir de estos pequeños puntos rojos. Así, el astrofísico de ISTA y su equipo sugieren que los pequeños puntos rojos son versiones pequeñas y rojas de SMBH azules gigantes en la fase anterior a los problemáticos quásares.
"Estudiar con más detalle las versiones infantiles de los SMBH excesivamente masivos nos permitirá comprender mejor cómo llegan a existir los cuásares problemáticos", explica Matthee.
Matthee y su equipo pudieron encontrar los cuásares bebés gracias a los conjuntos de datos adquiridos por las colaboraciones EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) y FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopically Complete Observations). Se trata de un programa JWST grande y mediano en el que participó Matthee. El pasado mes de diciembre, Mundo de la Física La revista incluyó a EIGER entre los 10 principales avances del año 2023.
"EIGER fue diseñado para estudiar específicamente los raros cuásares supermasivos azules y sus entornos. No fue diseñado para encontrar los pequeños puntos rojos. Pero los encontramos por casualidad en el mismo conjunto de datos. Esto se debe a que al usar la cámara de infrarrojo cercano del JWST, EIGER adquiere espectros de emisión de todos los objetos del universo", afirma Matthee. "Si levantas el dedo índice y extiendes el brazo por completo, la región del cielo nocturno que exploramos corresponde aproximadamente a una vigésima parte de la superficie de tu uña. Hasta ahora, probablemente sólo hayamos arañado la superficie."
Matthee confía en que el presente estudio abrirá muchas vías y ayudará a responder algunas de las grandes preguntas sobre el universo.
"Los agujeros negros y los SMBH son posiblemente las cosas más interesantes del universo. Es difícil explicar por qué están ahí, pero están ahí. Esperamos que este trabajo nos ayude a levantar uno de los mayores velos de misterio sobre el universo". concluye.
Más información: Pequeños puntos rojos:una población abundante de núcleos galácticos activos débiles (AGN) en z ~ 5 revelada por las encuestas EIGER y FRESCO JWST, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad2345
Información de la revista: Revista Astrofísica , Mundo de la Física
Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria
