Chandra descubre un agujero negro que crece a 2,4 veces el límite de Eddington

Un agujero negro está creciendo a una de las tasas más rápidas jamás registradas, según un equipo de astrónomos. Este descubrimiento, realizado por el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, podría ayudar a explicar cómo algunos agujeros negros pueden alcanzar masas enormes con relativa rapidez tras el Big Bang.

El agujero negro pesa aproximadamente mil millones de veces la masa del Sol y se encuentra a unos 12.800 millones de años luz de la Tierra, lo que significa que los astrónomos lo observan tan solo 920 millones de años después del inicio del universo. Produce más rayos X que cualquier otro agujero negro observado en los primeros mil millones de años del universo.

El agujero negro alimenta lo que los científicos llaman un cuásar, un objeto extremadamente brillante que eclipsa galaxias enteras. La fuente de energía de este monstruo resplandeciente son grandes cantidades de materia que se canalizan alrededor del agujero negro y entran en él.

Aunque el mismo equipo lo descubrió hace dos años, se necesitaron observaciones del Chandra en 2023 para descubrir qué distingue a este cuásar, RACS J0320-35. Los datos de rayos X revelan que este agujero negro parece estar creciendo a una velocidad que supera el límite normal para estos objetos.

«Fue un poco impactante ver cómo este agujero negro crecía a pasos agigantados», declaró Luca Ighina, del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian en Cambridge, Massachusetts, quien dirigió el estudio, que ahora se publica en The Astrophysical Journal Letters.

Cuando la materia es atraída hacia un agujero negro, se calienta y produce una radiación intensa en un amplio espectro, que incluye rayos X y luz óptica. Esta radiación crea presión sobre el material que cae. Cuando la velocidad de caída de materia alcanza un valor crítico, la presión de la radiación equilibra la gravedad del agujero negro y, normalmente, la materia no puede caer hacia el interior a mayor velocidad. Ese máximo se conoce como el límite de Eddington.

Los científicos creen que los agujeros negros que crecen a un ritmo más lento que el límite de Eddington deben nacer con masas de unos 10.000 soles o más para alcanzar mil millones de masas solares en un plazo de mil millones de años tras el Big Bang, como se ha observado en RACS J0320-35. Un agujero negro con una masa de nacimiento tan elevada podría ser el resultado directo de un proceso inusual: el colapso de una enorme nube de gas denso que contiene cantidades inusualmente bajas de elementos más pesados ​​que el helio, condiciones que podrían ser extremadamente raras.

Si RACS J0320-35 está creciendo a un ritmo elevado —estimado en 2,4 veces el límite de Eddington— y lo ha hecho durante un tiempo prolongado, su agujero negro podría haber comenzado de forma más convencional, con una masa inferior a cien soles, causada por la implosión de una estrella masiva.

«Al conocer la masa del agujero negro y calcular su velocidad de crecimiento, podemos calcular a la inversa su masa al nacer», afirmó Alberto Moretti, coautor del INAF-Osservatorio Astronomico di Brera (Italia). «Con este cálculo, podemos probar diferentes ideas sobre el origen de los agujeros negros».

Para determinar la velocidad de crecimiento de este agujero negro (entre 300 y 3000 soles al año), los investigadores compararon modelos teóricos con la firma de rayos X, o espectro, de Chandra, que proporciona las cantidades de rayos X a diferentes energías. Descubrieron que el espectro de Chandra coincidía estrechamente con lo que esperaban de los modelos de un agujero negro que crece a una velocidad superior al límite de Eddington. Los datos de luz óptica e infrarroja también respaldan la interpretación de que este agujero negro está aumentando de peso a una velocidad superior a la permitida por el límite de Eddington.

«¿Cómo creó el universo la primera generación de agujeros negros?», preguntó el coautor Thomas Connor, también del Centro de Astrofísica. «Esta sigue siendo una de las preguntas más importantes de la astrofísica y este objeto nos ayuda a encontrar la respuesta».

Otro misterio científico que aborda este resultado se refiere a la causa de los chorros de partículas que se alejan de algunos agujeros negros a velocidades cercanas a la de la luz, como se observa en RACS J0320-35. Chorros como este son poco comunes en los cuásares, lo que podría indicar que el rápido crecimiento del agujero negro contribuye de alguna manera a su creación.

El cuásar se descubrió previamente como parte de un estudio radiotelescópico con el Australian Square Kilometer Array Pathfinder, combinado con datos ópticos de la Cámara de Energía Oscura, un instrumento montado en el Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros en el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo en Chile. El telescopio Gemini-Sur del Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Óptica-Infrarroja de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. en Cerro Pachón, Chile, se utilizó para obtener la distancia precisa de RACS J0320-35.

Con información de The Astrophysical Journal Letters