Al analizar imágenes del Telescopio Espacial James Webb (JWST), un grupo de astrónomos dirigido por el Dr. Lukas Furtak y el Prof. Adi Zitrin de la Universidad Ben-Gurion del Negev ha detectado un agujero negro supermasivo extremadamente rojo, con lentes gravitacionales, en el universo temprano. . Sus colores sugieren que el agujero negro se encuentra detrás de un espeso velo de polvo que oscurece gran parte de su luz. El equipo logró medir la masa del agujero negro y descubrió que era significativamente más masivo, en comparación con su galaxia anfitriona, que lo que se ha visto en ejemplos más locales.

El hallazgo se publica en Nature .

El JWST, lanzado hace dos años, ha revolucionado nuestra visión de la formación temprana de galaxias. Ha llevado a la detección de galaxias muy tempranas con mayor abundancia y mayor brillo de lo previsto anteriormente, y ha revelado algunos tipos nuevos de objetos.

El grupo de astrónomos había detectado en imágenes del JWST lo que parecía ser un objeto con lente, parecido a un cuásar, del universo primitivo. Los cuásares son núcleos galácticos activos y brillantes:agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias que están acumulando material activamente.

La acumulación de material en el agujero negro emite copiosas cantidades de radiación que eclipsan a la galaxia anfitriona, dando lugar a una apariencia compacta y brillante, similar a una estrella. Las imágenes del JWST en las que Furtak y Zitrin identificaron el objeto fueron tomadas para el programa UNCOVER, que tomó imágenes del campo de un cúmulo de galaxias, Abell 2744, a una profundidad sin precedentes.

Dado que el cúmulo contiene grandes cantidades de masa, curva el espacio-tiempo (o las trayectorias de los rayos de luz que viajan cerca de él) creando efectivamente una lente gravitacional. La lente gravitacional magnifica las galaxias de fondo detrás de ella y permite a los astrónomos observar galaxias aún más distantes de lo que sería posible de otra manera.

"Estábamos muy entusiasmados cuando JWST comenzó a enviar sus primeros datos. Estábamos escaneando los datos que llegaron para el programa UNCOVER y tres objetos muy compactos pero de color rojo se destacaron y llamaron nuestra atención", dice el Dr. Lukas Furtak, estudiante postdoctoral. investigador de BGU y autor principal de los artículos de descubrimiento. "Su apariencia de 'punto rojo' nos llevó inmediatamente a sospechar que se trataba de un objeto parecido a un cuásar."

Furtak y el grupo UNCOVER comenzaron a investigar el objeto. "Utilizamos un modelo de lentes numérico que habíamos construido para el cúmulo de galaxias para determinar que los tres puntos rojos tenían que ser múltiples imágenes de la misma fuente de fondo, vistas cuando el universo tenía sólo unos 700 millones de años", dice el profesor Zitrin. , astrónomo de BGU y uno de los autores principales de los artículos del descubrimiento.

"El análisis de los colores del objeto indicó que no se trataba de una típica galaxia de formación estelar. Esto apoyó aún más la hipótesis de un agujero negro supermasivo", afirma la profesora Rachel Bezanson, de la Universidad de Pittsburgh y codirectora del programa UNCOVER. "Junto con su tamaño compacto, se hizo evidente que se trataba probablemente de un agujero negro supermasivo, aunque todavía era diferente de otros cuásares encontrados en aquellos primeros tiempos", añadió el profesor Bezanson. El descubrimiento del objeto singularmente rojo y compacto se publicó el año pasado en el Astrophysical Journal. . Pero eso fue sólo el comienzo de la historia.

Luego, el equipo adquirió datos JWST/NIRSpec de las tres imágenes del "punto rojo" y analizó los datos. "Los espectros eran simplemente alucinantes", afirma el profesor Ivo Labbé, de la Universidad Tecnológica de Swinburne y codirector del programa UNCOVER. "Al combinar la señal de las tres imágenes junto con la ampliación de la lente, el espectro resultante es equivalente a ~1700 horas de observación por parte de JWST en un objeto sin lente, lo que lo convierte en el espectro más profundo que JWST ha obtenido para un solo objeto en el universo temprano."

"Usando los espectros, logramos no sólo confirmar que el objeto compacto rojo era un agujero negro supermasivo y medir su corrimiento al rojo exacto, sino también obtener una estimación sólida de su masa a partir del ancho de sus líneas de emisión", dice el autor principal, el Dr. Furtak. "El gas orbita en el campo gravitacional del agujero negro y alcanza velocidades muy altas que no se observan en otras partes de las galaxias. Debido al desplazamiento Doppler, la luz emitida por el material en acreción se desplaza hacia el rojo en un lado y hacia el azul en el otro lado, según su velocidad. Esto hace que las líneas de emisión en el espectro se vuelvan más anchas."

Pero la medición llevó a otra sorpresa:la masa del agujero negro parece ser excesivamente alta en comparación con la masa de la galaxia anfitriona.

"Toda la luz de esa galaxia debe caber dentro de una pequeña región del tamaño de un cúmulo de estrellas actual. La ampliación de la lente gravitacional de la fuente nos dio límites exquisitos en el tamaño. Incluso empaquetando todas las estrellas posibles en una región tan pequeña, el agujero negro acaba siendo al menos el 1% de la masa total del sistema", afirma la profesora Jenny Greene de la Universidad de Princeton y una de las autoras principales del reciente artículo.

"De hecho, se ha descubierto que varios otros agujeros negros supermasivos en el universo primitivo muestran un comportamiento similar, lo que conduce a algunas visiones intrigantes del crecimiento de los agujeros negros y de las galaxias anfitrionas, y de la interacción entre ellos, que no se comprende bien".

Los astrónomos no saben si estos agujeros negros supermasivos surgen, por ejemplo, de restos estelares o tal vez de material que colapsó directamente en agujeros negros en el universo primitivo.

"En cierto modo, es el equivalente astrofísico del problema del huevo y la gallina", afirma el profesor Zitrin. "Actualmente no sabemos qué surgió primero:la galaxia o el agujero negro, qué tan masivos fueron los primeros agujeros negros y cómo crecieron".

Dado que recientemente se han detectado muchos más "pequeños puntos rojos" y otros núcleos galácticos activos con JWST, con suerte tendremos una mejor idea pronto.

Más información: Lukas J. Furtak et al, Una alta proporción de masa entre agujero negro y anfitrión en un AGN con lente en el Universo temprano, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07184-8

Proporcionado por la Universidad Ben-Gurion del Negev