El telescopio James Webb descubre un agujero negro masivo “oculto” en el cosmos primitivo

Así como los animales suelen reposar y dormir mucho tiempo luego de haber comido en grandes cantidades, los agujeros negros tienen el mismo comportamiento, según identificó el telescopio espacial James Webb (JWST).

El más poderoso observatorio de la NASA y la ESA, logró captar un agujero negro gigantesco que dormita en el universo primitivo. Una nueva investigación publicada en Nature demostró el hallazgo de un agujero negro supermasivo inactivo cuya masa es de 400 millones de veces la del Sol, que existió en el universo primitivo, a solo 800 millones de años después del Big Bang.

La masa de este agujero negro supermasivo llamó la atención de los investigadores porque representa alrededor del 40% de la masa de su galaxia anfitriona. En el universo local (y reciente), estos titanes cósmicos suelen tener solo el 0,1% de la masa de sus galaxias.

Los científicos esperarían que un agujero negro tan gigantesco se alimentara vorazmente y, por lo tanto, creciera. Sin embargo, este está devorando gas a un ritmo muy lento, alrededor de una centésima parte del límite máximo de acreción posible para un cuerpo celeste de este tamaño. Este comportamiento lo hace prácticamente invisible. Sin embargo, su enorme masa lo delató.

“Aunque este agujero negro está inactivo, su enorme tamaño nos permitió detectarlo. Su estado inactivo también nos permitió aprender sobre la masa de la galaxia anfitriona. El universo primitivo logró producir algunos monstruos absolutos, incluso en galaxias relativamente pequeñas”, explicó Ignas Juodžbalis, autor principal del estudio y miembro del Instituto Kavli de Cosmología de Cambridge.

Los agujeros negros inactivos son difíciles de identificar porque carecen del disco de acreción luminoso que normalmente rodea a los agujeros negros activos.

En condiciones normales, el gas y el polvo que caen hacia un agujero negro forman este disco, el cual brilla intensamente debido al calor y la fricción generados en el proceso. Sin embargo, en este caso, la inmensa masa gravitacional del agujero negro permitió su detección, incluso sin el resplandor característico.

Los modelos actuales de formación y crecimiento de agujeros negros explican que estos se originan a partir del colapso de estrellas masivas y luego crecen lentamente mediante la acumulación de materia, como gas y polvo, hasta alcanzar su límite teórico de alimentación, conocido como límite de Eddington.

Este límite establece que un agujero negro no puede acumular materia indefinidamente, ya que la radiación generada por la acreción ejerce una presión que eventualmente expulsa el material cercano.

Sin embargo, la existencia de este agujero negro inactivo en el universo temprano sugiere que estos modelos no cuentan toda la historia. Así, el descubrimiento de un agujero negro tan masivo en una etapa temprana del universo desafía todos los modelos conocidos del cosmos.

“Es posible que los agujeros negros hayan nacido grandes, lo que podría explicar por qué Webb detectó agujeros negros enormes en el universo primitivo. Pero otra posibilidad es que pasen por períodos de hiperactividad, seguidos de largos períodos de inactividad”, comentó el profesor Roberto Maiolino, coautor del estudio e investigador del Instituto Kavli.

Para resolver este misterio, los investigadores realizaron simulaciones por computadora en colaboración con colegas de Italia. Estas acciones apuntan a que los agujeros negros pueden superar temporalmente el límite de Eddington durante cortos períodos de tiempo, un fenómeno conocido como acreción de super-Eddington.

En este escenario, los agujeros negros experimentarían breves estallidos de crecimiento ultrarrápido que durarían entre 5 y 10 millones de años. Durante estos episodios, consumirían materia a tasas exponenciales, alcanzando rápidamente tamaños colosales. Posteriormente, entrarían en largos períodos de inactividad que podrían durar hasta 100 millones de años.

“Parece contradictorio explicar un agujero negro inactivo con períodos de hiperactividad, pero estos breves estallidos le permiten crecer rápidamente mientras pasa la mayor parte del tiempo durmiendo”, agregó Maiolino. Este patrón de actividad intermitente podría explicar cómo los agujeros negros supermasivos alcanzaron sus enormes dimensiones en tan poco tiempo desde el origen del universo.

Maiolino y sus colegas explican que los agujeros negros supermasivos son titanes cósmicos con masas equivalentes a millones o incluso miles de millones de soles. A diferencia de los agujeros negros de masa estelar, que se forman cuando las estrellas masivas colapsan, se cree estos grandes objetos crecen a través de una cadena de fusiones de agujeros negros posteriormente más masivos y a partir de una dieta constante de gas y polvo de sus galaxias anfitrionas.

Y estiman que este proceso tarda más de mil millones de años en crear un agujero negro supermasivo con una masa incluso en la escala más baja de estas masas monstruosas. Eso significa que detectar un agujero negro supermasivo en la historia reciente de nuestro cosmos de 13.800 millones de años no es problemático.

El descubrimiento no solo aporta evidencia para estas nuevas teorías, sino que también subraya lo difícil que es detectar agujeros negros inactivos. La baja luminosidad de estos objetos durante sus períodos de letargo los hace casi invisibles incluso para telescopios avanzados como el JWST.

“Este fue el primer resultado que obtuve como parte de mi doctorado, y me llevó un tiempo apreciar lo extraordinario que era. No fue hasta que comencé a hablar con mis colegas del lado teórico de la astronomía que pude ver la verdadera importancia de este agujero negro”, reflexionó Juodžbalis.

Los investigadores sospechan que este agujero negro es solo la punta del iceberg. Si la mayoría de los agujeros negros del universo temprano pasaron gran parte de su existencia en estado latente, podría haber una gran cantidad de ellos aún por descubrir. Sin embargo, identificar estos gigantes dormidos seguirá siendo un desafío debido a su naturaleza esquiva.

El telescopio espacial James Webb ha revolucionado nuestra comprensión del universo primitivo desde que comenzó a operar en 2022. Este hallazgo es un ejemplo de cómo su avanzada tecnología puede revelar fenómenos previamente invisibles.

Además, el estudio plantea nuevas preguntas sobre el papel de los agujeros negros en la evolución de las galaxias. Si bien se sabe que estos objetos masivos influyen en la dinámica de sus galaxias anfitrionas, el hecho de que uno de ellos represente el 40% de la masa total de su galaxia plantea interrogantes sobre la relación entre ambos.

Este descubrimiento también tiene implicaciones para futuras investigaciones. Los astrónomos deberán desarrollar nuevas técnicas para detectar agujeros negros inactivos y refinar los modelos teóricos de formación y crecimiento de estos objetos.

El hallazgo de este agujero negro supermasivo inactivo marca un paso importante en la comprensión del universo temprano, pero también recuerda cuán limitado es nuestro conocimiento actual. Maiolino concluyó con optimismo: “Es probable que la gran mayoría de los agujeros negros se encuentren en este estado latente. Me sorprende que hayamos encontrado este, pero me emociona pensar que hay muchos más que podríamos encontrar”.

A medida que el telescopio James Webb continúe explorando los confines del cosmos, es probable que descubramos más ejemplos de estos gigantes durmientes, lo que podría redefinir lo que sabemos sobre el origen y la evolución de los agujeros negros.