ASTRONOMÍA. Los telescopios de la NASA descubren un agujero negro sin precedentes

Los telescopios de la NASA descubren un agujero negro sin precedentes

 

La luz reflejada por los agujeros negros permite a los astrónomos ver qué tan rápido gira la materia en la región interna del disco y, en última instancia, medir la velocidad de giro del agujero negro. NASA/JPL-Caltech

Los astrónomos han descubierto el agujero negro más distante jamás visto en rayos X, utilizando telescopios de la NASA. El agujero negro se encuentra en una etapa temprana de crecimiento que nunca antes se había presenciado, donde su masa es similar a la de su galaxia anfitriona.

06 noviembre 2023.- Este resultado puede explicar cómo se formaron algunos de los primeros agujeros negros supermasivos del universo.

Combinando datos del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y el Telescopio Espacial James Webb de la NASA, un equipo de investigadores pudo encontrar la firma reveladora de un agujero negro en crecimiento sólo 470 millones de años después del Big Bang.

"Necesitábamos a Webb para encontrar esta galaxia notablemente distante y a Chandra para encontrar su agujero negro supermasivo", dijo Akos Bogdan del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian (CfA), quien dirige un nuevo artículo disponible en el servidor de preimpresión arXiv y cuya publicación está prevista para la revista Nature Astronomy que describe estos resultados. 

También aprovecharon una lupa cósmica que aumentó la cantidad de luz que detectamos. Este efecto de aumento se conoce como lente gravitacional .

Esta imagen contiene el agujero negro más distante jamás detectado en rayos X, un resultado que puede explicar cómo se formaron algunos de los primeros agujeros negros supermasivos del universo. Como informamos en nuestro comunicado de prensa, este descubrimiento se realizó utilizando rayos X del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA (púrpura) y datos infrarrojos del Telescopio Espacial James Webb de la NASA (rojo, verde, azul). El agujero negro extremadamente distante se encuentra en la galaxia UHZ1, en dirección al cúmulo de galaxias Abell 2744. El cúmulo de galaxias se encuentra a unos 3,5 mil millones de años luz de la Tierra. Sin embargo, los datos de Webb revelan que UHZ1 está mucho más lejos que Abell 2744. A unos 13.200 millones de años luz de distancia, UHZ1 se ve cuando el universo tenía sólo el 3% de su edad actual. Fuente: Centro de rayos X Chandra

Bogdan y su equipo encontraron el agujero negro en una galaxia llamada UHZ1 en dirección al cúmulo de galaxias Abell 2744, ubicado a 3.500 millones de años luz de la Tierra. Los datos de Webb, sin embargo, han revelado que la galaxia está mucho más distante que el cúmulo, a 13.200 millones de años luz de la Tierra, cuando el universo tenía sólo el 3% de su edad actual.

Luego, más de dos semanas de observaciones con Chandra mostraron la presencia de gas intenso y sobrecalentado que emite rayos X en esta galaxia, una marca registrada de un agujero negro supermasivo en crecimiento. La luz de la galaxia y los rayos X del gas alrededor de su agujero negro supermasivo se magnifican aproximadamente en un factor de cuatro al intervenir materia en Abell 2744 (debido a lentes gravitacionales), mejorando la señal infrarroja detectada por Webb y permitiendo a Chandra detectar la débil fuente de rayos X.

Formación de un agujero negro de semilla pesada a partir del colapso directo de una nube masiva de gas (Fuente: NASA/STScI/Leah Hustak)

Este descubrimiento es importante para comprender cómo algunos agujeros negros supermasivos pueden alcanzar masas colosales poco después del Big Bang. ¿Se forman directamente a partir del colapso de enormes nubes de gas, creando agujeros negros que pesan entre 10.000 y 100.000 soles? ¿O provienen de explosiones de las primeras estrellas que crean agujeros negros que pesan sólo entre 10 y 100 soles?

"Existen límites físicos sobre la rapidez con la que los agujeros negros pueden crecer una vez que se han formado, pero los que nacen con mayor masa tienen ventaja. Es como plantar un retoño, que tarda menos en crecer hasta convertirse en un árbol de tamaño completo que si se empezaba sólo con una semilla", dijo Andy Goulding de la Universidad de Princeton. Goulding es coautor del artículo de Nature Astronomy y autor principal de un nuevo artículo en The Astrophysical Journal Letters que informa la distancia y la masa de la galaxia utilizando un espectro de Webb.

El equipo de Bogdan ha encontrado pruebas contundentes de que el agujero negro recién descubierto nació masivo. Se estima que su masa está entre 10 y 100 millones de soles, según el brillo y la energía de los rayos X. Este rango de masa es similar al de todas las estrellas de la galaxia donde vive, lo que contrasta marcadamente con los agujeros negros en los centros de las galaxias del universo cercano, que normalmente contienen sólo alrededor de una décima parte de la masa de sus estrellas. 

La gran masa del agujero negro a una edad temprana, más la cantidad de rayos X que produce y el brillo de la galaxia detectado por Webb, concuerdan con las predicciones teóricas de 2017 del coautor Priyamvada Natarajan de la Universidad de Yale para un " agujero negro de gran tamaño" que se formó directamente a partir del colapso de una enorme nube de gas.

Los autores del estudio creen que esta es la primera detección de un 'agujero negro de gran tamaño' y la mejor evidencia obtenida hasta ahora de que algunos agujeros negros se forman a partir de nubes masivas de gas. Por primera vez estamos viendo una breve etapa en la que un agujero negro supermasivo pesa aproximadamente tanto como las estrellas de su galaxia, antes de quedarse atrás.

Los investigadores planean utilizar este y otros resultados provenientes de Webb y aquellos que combinan datos de otros telescopios para completar una imagen más amplia del universo temprano.

Fuente: Centro de rayos X Chandra

El Telescopio Espacial Hubble de la NASA mostró previamente que la luz de galaxias distantes es altamente magnificada por la materia en el cúmulo de galaxias intermedio, lo que proporciona parte de la motivación para las observaciones de Webb y Chandra descritas aquí.

El artículo que describe los resultados del equipo de Bogdan aparece en Nature Astronomy y una preimpresión está disponible en línea. Además de los mencionados anteriormente, los autores incluyen a Orsolya Kovacs (Universidad de Masaryk, República Checa), Grant Tremblay (CfA), Urmila Chadayammuri (CfA), Marta Volonteri (Institut d'Astrophysique de Paris, Francia), Ralph Kraft (CfA) , William Forman (CfA), Chrisine Jones (CfA), Eugene Churazov (Instituto Max Planck de Astrofísica, Alemania) e Irina Zhuravleva (Universidad de Chicago).

Los datos de Webb utilizados en ambos artículos son parte de una encuesta llamada Ultradeep Nirspec and nirCam ObserVations before the Epoch of Reionization (UNCOVER). El artículo dirigido por Andy Goulding, miembro del equipo UNCOVER, aparece en Astrophysical Journal Letters . Los coautores incluyen a otros miembros del equipo UNCOVER, además de Bogdan y Natarajan. Próximamente se publicará un artículo de interpretación detallado que compara las propiedades observadas de UHZ1 con modelos teóricos para galaxias con agujeros negros de gran tamaño.

Fuentes: 

Akos Bogdan et al, Evidence for heavy seed origin of early supermassive black holes from a z~10 X-ray quasar, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2305.15458

Andy D. Goulding et al, UNCOVER: The Growth of the First Massive Black Holes from JWST/NIRSpec—Spectroscopic Redshift Confirmation of an X-Ray Luminous AGN at z = 10.1, The Astrophysical Journal Letters (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acf7c5