Los investigadores han descubierto el agujero negro supermasivo activo más distante hasta la fecha con el Telescopio Espacial James Webb (JWST). La galaxia, CEERS 1019, existió unos 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 del agujero negro en CEERS 1019, los investigadores identificaron dos agujeros negros más que están en el lado más pequeño y existieron 1.000 millones y 1.100 millones de años después del Big Bang. JWST también identificó once galaxias que existían cuando el universo tenía entre 470 y 675 millones de años.
La evidencia fue proporcionada por la Encuesta de Ciencia de Liberación Temprana de Evolución Cósmica (CEERS) de JWST, dirigida por Steven Finkelstein, profesor de astronomía en la Universidad de Texas en Austin. El programa combina imágenes altamente detalladas de infrarrojo cercano y medio de JWST y datos conocidos como espectros, todos los cuales se utilizaron para hacer estos descubrimientos.
“Mirar este objeto distante con este telescopio es muy parecido a mirar datos de agujeros negros que existen en galaxias cercanas a la nuestra”, dijo Rebecca Larson, una reciente Ph.D. graduado en UT Austin, quien dirigió el estudio. “Hay tantas líneas espectrales para analizar”.
El equipo ha publicado estos resultados en varios artículos iniciales en una edición especial de The Astrophysical Journal Letters.
CEERS 1019 es notable no solo por cuánto tiempo existió, sino también por lo relativamente poco que pesa su agujero negro. Registra alrededor de 9 millones de masas solares, mucho menos que otros agujeros negros que también existieron en el universo primitivo y que fueron detectados por otros telescopios. Esos gigantes suelen contener más de mil millones de veces la masa del sol, y son más fáciles de detectar porque son mucho más brillantes. El agujero negro dentro de CEERS 1019 se parece más al agujero negro en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, que tiene 4,6 millones de veces la masa del sol.
Aunque más pequeño, este agujero negro existió mucho antes que todavía es difícil explicar cómo se formó tan poco tiempo después de que comenzara el universo. Los investigadores saben desde hace mucho tiempo que los agujeros negros más pequeños deben haber existido antes en el universo, pero no fue hasta que JWST comenzó a observar que pudieron hacer detecciones definitivas.
El equipo no solo pudo desentrañar qué emisiones en el espectro provienen del agujero negro y cuáles son de su galaxia anfitriona, sino que también podrían identificar cuánto gas está ingiriendo el agujero negro y determinar la tasa de formación estelar de su galaxia.
El equipo descubrió que esta galaxia está ingiriendo tanto gas como puede mientras produce nuevas estrellas. Recurrieron a las imágenes para explorar por qué podría ser eso. Visualmente, CEERS 1019 aparece como tres grupos brillantes, no como un solo disco circular.
“No estamos acostumbrados a ver tanta estructura en las imágenes a estas distancias”, dijo el miembro del equipo CEERS Jeyhan Kartaltepe, profesor asociado de astronomía en el Instituto de Tecnología de Rochester en Nueva York. “Una fusión de galaxias podría ser en parte responsable de impulsar la actividad en el agujero negro de esta galaxia, y eso también podría conducir a una mayor formación de estrellas”.
Estos son solo los primeros hallazgos innovadores de la Encuesta CEERS. “Hasta ahora, la investigación sobre objetos en el universo primitivo era en gran parte teórica”, dijo Finkelstein. “Con Webb, no solo podemos ver agujeros negros y galaxias a distancias extremas, ahora podemos comenzar a medirlos con precisión. Ese es el tremendo poder de este telescopio”.
En el futuro, es posible que los datos de JWST también se puedan usar para explicar cómo se formaron los primeros agujeros negros, revisando los modelos de los investigadores sobre cómo crecieron y evolucionaron los agujeros negros en los primeros cientos de millones de años de la historia del universo.
El Telescopio Espacial James Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Canadiense.
Agujeros negros y galaxias más extremadamente distantes
La Encuesta CEERS es expansiva y hay mucho más por explorar. 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, dentro de la galaxia CEERS 2782, fue el más fácil de identificar. No hay polvo que oscurezca la vista de JWST, por lo que los investigadores pudieron determinar de inmediato cuándo existió su 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 compuesto de gas y polvo que rodea su agujero negro supermasivo, todavía está parcialmente nublado por el polvo.
“El agujero negro central es visible, pero la presencia de polvo sugiere que podría estar dentro de una galaxia que también está bombeando estrellas con furia”, explicó Kocevski.
Al igual que el de CEERS 1019, los otros dos agujeros negros recientemente descritos (en las galaxias CEERS 2782 y CEERS 746) también son “pesos ligeros”, al menos en comparación con los agujeros negros supermasivos conocidos anteriormente a estas distancias. Son sólo alrededor de 10 millones de veces la masa del sol.
“Los investigadores saben desde hace mucho tiempo que debe haber agujeros negros de menor masa en el universo primitivo. Webb es el primer observatorio que puede capturarlos con tanta claridad”, dijo Kocevski. “Ahora pensamos que los agujeros negros de menor masa podrían estar por todas partes, esperando ser descubiertos”.
Antes de JWST, los tres agujeros negros eran demasiado débiles para ser detectados. “Con otros telescopios, estos objetivos parecen galaxias ordinarias en formación de estrellas, no agujeros negros supermasivos activos”, agregó Finkelstein.
Los espectros sensibles de JWST también permitieron a estos investigadores medir distancias precisas y, por lo tanto, las edades de las galaxias en el universo primitivo. Los miembros del equipo Pablo Arrabal Haro del NOIRLab de la Fundación Nacional de Ciencias y Seiji Fujimoto, investigador postdoctoral y miembro del Hubble en UT Austin, identificaron 11 galaxias que existieron entre 470 y 675 millones de años después del Big Bang. No solo son extremadamente distantes, sino que es notable el hecho de que se hayan detectado tantas galaxias brillantes. Los investigadores teorizaron que JWST detectaría menos galaxias de las que se encuentran a estas distancias.
“Estoy abrumado por la cantidad de espectros altamente detallados de galaxias remotas que Webb devolvió”, dijo Arrabal Haro. “Estos datos 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 detectar 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.
El equipo publicó varios artículos iniciales sobre los datos de la Encuesta CEERS en una edición especial de The Astrophysical Journal Letters el 6 de julio: “Un descubrimiento de CEERS de un agujero negro supermasivo en acumulación 570 millones de años después del Big Bang: identificación de un progenitor de z > 6 cuásares masivos, “dirigido por Larson, “Pequeños monstruos ocultos: identificación espectroscópica de AGN de línea ancha y baja masa en z> 5 con CEERS”, dirigido por Kocevski, “Confirmación espectroscópica de galaxias seleccionadas por CEERS NIRCam en z≃8−10” dirigido por Arrabal Haro, y “Confirmación espectroscópica CEERS de candidatos a galaxias z ≳ 8 seleccionados por NIRCam con JWST/NIRSpec: Caracterización inicial de sus propiedades”, dirigido por Fujimoto.
Con información de The Astrophysical Journal
