Utilizando el telescopio espacial James Webb, los astrónomos han retrocedido 13 mil millones de años para descubrir cuásares sorprendentemente solitarios impulsados por agujeros negros supermasivos.
El telescopio espacial James Webb (JWST) las observaciones son confusas porque están aisladas agujeros negros debería esforzarse por reunir suficiente masa para alcanzar estado supermasivoespecialmente unos pocos cientos de millones de años después de la Gran prohibicióngramo. El descubrimiento enturbia aún más las aguas cuando se trata del enigma de cómo algunos agujeros negros crecieron hasta alcanzar masas equivalentes a millones o incluso miles de millones de soles cuando el universo tenía menos de mil millones de años.
Los hallazgos se produjeron después de que un equipo de científicos utilizara el JWST para estudiar los entornos de cinco de los primeros planetas conocidos. cuásaresque se formó cuando el cosmos tenía entre 600 y 700 millones de años. El equipo descubrió que los alrededores de estos quásares, conocidos como “campos de quásares”, eran sorprendentemente variados. Algunos eran entornos densamente poblados que los científicos predicen, pero otros eran “despensas vacías” escasamente pobladas que tendrían dificultades para alimentar el crecimiento de agujeros negros supermasivos.
“Al contrario de lo que se creía anteriormente, encontramos que, en promedio, estos quásares no se encuentran necesariamente en las regiones de mayor densidad del universo primitivo. Algunos de ellos parecen estar en medio de la nada”, dijo Anna-Christina Eilers, profesora asistente de Física del Instituto de Tecnología de Massachusetts, dijo en un comunicado. “Es difícil explicar cómo estos quásares pudieron haber crecido tanto si parecen no tener nada de qué alimentarse”.
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Los cuásares necesitan despensas llenas
Se cree que los agujeros negros supermasivos acechan en el corazón de todas las grandes galaxias del universo relativamente moderno. Debido a que ninguna estrella es lo suficientemente grande como para colapsar y los agujeros negros con masas tan monstruosas, los científicos saben que los agujeros negros supermasivos deben formarse de maneras diferentes a los llamados “agujeros negros de masa estelar”, con masas entre 10 y 100 veces la del sol, nacido de las muertes de estrellas masivas.
Los modelos sugieren que los agujeros negros supermasivos pueden crecer a través de fusiones progresivas de agujeros negros cada vez más grandes; sin embargo, el problema es que este proceso debería tomar más de mil millones de años. Sin embargo, el JWST está observando agujeros negros supermasivos que se formaron en mucho menos tiempo.
Es posible ver estos agujeros negros supermasivos porque se encuentran en entornos inmediatos turbulentos y ricos en gas llamados núcleos galácticos activos (AGN) del que se alimentan. Eso también facilita su crecimiento. La inmensa masa de los agujeros negros en estos entornos hace que las nubes aplanadas de gas y polvo a su alrededor brillen intensamente, a menudo eclipsando la luz combinada de cada estrella de la galaxia que los alberga. Esta luz, billones de veces más brillante que el sol, indica un quásar.
Sin embargo, los agujeros negros supermasivos necesitan un “servicio de entrega” que mantenga su entorno inmediato bien abastecido de gas y polvo para lograr esta increíble luminosidad.
“Es simplemente fenomenal que ahora tengamos un telescopio que pueda capturar la luz de hace 13 mil millones de años con tanto detalle”, dijo Eilers. “Por primera vez, JWST nos permitió observar el entorno de estos quásares, dónde crecieron y cómo era su vecindario”.
Para investigar el entorno más amplio de los cuásares, el equipo seleccionó cinco regiones impulsadas por agujeros negros supermasivos estudiadas por el JWST entre agosto de 2022 y junio de 2023. Esto requirió “unir” múltiples imágenes para crear un mosaico de campo de cuásar para cada vecindario de agujero negro supermasivo.
Al procesar las múltiples longitudes de onda de la luz en las imágenes, también fue posible determinar si la luz provenía de la galaxia vecina de un cuásar y medir a qué distancia se originó esa galaxia en el brillante cuásar central.
“Descubrimos que la única diferencia entre estos cinco cuásares es que sus entornos parecen muy diferentes”, dijo Eilers. “Por ejemplo, un cuásar tiene casi 50 galaxias a su alrededor, mientras que otro tiene sólo dos. Y ambos cuásares tienen el mismo tamaño, volumen, brillo y tiempo que el universo.
“Fue realmente sorprendente verlo”.
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¿Los primeros agujeros negros supermasivos tuvieron “aceleraciones de crecimiento”?
Los hallazgos del equipo desafían la idea del crecimiento de agujeros negros supermasivos, e incluso la formación de galaxias en su conjunto. La comprensión actual es que esta evolución estuvo guiada por un vasto “red cósmica” de materia oscura; la materia oscura representa alrededor del 85% de toda la materia, pero sigue siendo efectivamente invisible para nosotros.
Los filamentos de materia oscura en la red cósmica guiaron el gas y el polvo en el universo primitivo, atrayendo materia primordial a lo largo de sus vastos zarcillos. Donde se unían los hilos de esta red cósmica, se acumulaban regiones de materia demasiado densas. Aquí se construyeron las primeras galaxias y se deberían encontrar los primeros quásares.
“La red cósmica de materia oscura es una predicción sólida de nuestro modelo cosmológico del universo, y puede describirse en detalle mediante simulaciones numéricas”, dijo en el comunicado el líder del equipo Elia Pizzati, estudiante de posgrado de la Universidad de Leiden. “Al comparar nuestras observaciones con estas simulaciones, podemos determinar en qué parte de la red cósmica se encuentran los quásares”.
Los agujeros negros supermasivos situados en estos nodos de la red cósmica deberían crecer mediante la constante y rápida acumulación de gas y polvo suministrados por la red cósmica como un Grub Hub galáctico; esto permitiría a los quásares alcanzar masas monstruosas y un brillo extremo, pero los científicos Todavía necesitamos saber cómo sucedió esto tan temprano en la historia del universo.
“La pregunta principal que estamos tratando de responder es: ¿cómo se forman estos agujeros negros de mil millones de masas solares en un momento en que el universo todavía es muy, muy joven? Todavía está en su infancia”, dijo Eilers.
Desafortunadamente, esta investigación parece haber planteado más preguntas que respuestas a las que ya preocupan a los científicos. Los vecindarios áridos parecen significar una falta de materia oscura y sobredensidades de los nodos de la red cósmica. Si ese es el caso, las teorías actuales sobre el mecanismo de crecimiento no pueden explicar estos cuásares.
Una posible solución a este misterio es que estos primeros cuásares en realidad están rodeados por polvo cósmico y por lo tanto no son visibles. El equipo ahora pretende “afinar” sus observaciones de estos campos de quásares potencialmente vacíos para descubrir galaxias envueltas de este tipo.
“Nuestros resultados muestran que todavía falta una pieza importante del rompecabezas de cómo crecen estos agujeros negros supermasivos”, concluyó Eilers. “Si no hay suficiente material para que algunos cuásares puedan crecer continuamente, eso significa que debe haber alguna otra forma en que puedan crecer que aún tenemos que descubrir”.
La investigación del equipo fue publicada el 17 de octubre en La revista astrofísica