Los últimos habitantes desconcertantes del universo continúan desconcertando y dividiendo a los astrónomos.
Casi tan pronto como el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA se encendió en 2022, reuniendo luz de los primeros miles de millones de años después del Big Bang, vio un cielo antiguo adornado con pequeñas motas de color rojo brillante. Desde entonces, estos “pequeños puntos rojos” (LRD) han desafiado prácticamente todo lo que los científicos creían saber sobre el universo primitivo.
La mayoría de los astrónomos están ahora de acuerdo en que cada una de estas minúsculas motas carmesí, que guardan un sorprendente parecido con enormes estrellas lejanas, en realidad tiene un floreciente agujero negro en su centro. Pero el tamaño de estos agujeros negros (y, en consecuencia, su origen y papel en el gran arco de la historia cósmica) sigue siendo un tema de intenso debate.
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Un artículo publicado hoy en Nature defiende el lado “pesado” de esta competencia cósmica de adivinar mi peso. Utilizando JWST para remontarse a sólo 700 millones de años después del big bang, los autores del artículo informan de su medición de la masa de un LRD mediante un método novedoso y supuestamente menos equívoco: han descubierto que tiene unas 50 millones de veces la masa de nuestro sol. Sin embargo, el resultado ha generado escepticismo desde que apareció como preimpresión en agosto pasado, porque sus conclusiones anularían las creencias de la mayoría de los astrónomos. Encontrar agujeros negros tan masivos tan temprano en la vida del universo sugeriría que son anteriores a las galaxias que los engullen, y que tal vez nacieron en los albores del tiempo.
“Si todo lo que se dice en este artículo es cierto, entonces estamos viviendo en un mundo extraño”, dice Jenny Greene, astrónoma de la Universidad de Princeton, que no participó en el estudio. “Por eso esto es muy importante”.
El debate se reduce a qué ocurrió primero: las vastas aglomeraciones de estrellas y gas que llamamos galaxias o los agujeros negros gigantes que solemos ver en su núcleo. Si los agujeros negros surgieron primero, sirviendo como semillas gravitacionales para el crecimiento de las galaxias, entonces de alguna manera deben haber crecido mucho en una etapa muy temprana de la vida del universo.
Tras el descubrimiento de los investigadores, los primeros seguimientos sugirieron que cada uno de los LRD pesaba millones de masas solares, un eje potencial para esta controvertida cronología de “los agujeros negros primero”. Pero entonces los astrónomos cuestionaron esas estimaciones iniciales. Estos primeros intentos de medir las masas de LRD utilizaron una técnica indirecta común para sopesar los agujeros negros en épocas cósmicas posteriores y más contemporáneas: los agujeros negros “supermasivos” en el centro de cada galaxia. Pero esa técnica suponía que los LRD tenían un entorno similar al de sus homólogos modernos.
A diferencia de los agujeros negros supermasivos, argumentaron los críticos, los LRD parecían ocluidos por nubes de gas mucho más densas, lo que podría requerir un método más directo para medir con precisión su masa. Muchos de estos críticos creen que los LRD son una clase de objeto totalmente nueva llamada “estrellas de agujero negro”. Desde el exterior, una estrella con agujero negro se parecería mucho a una estrella gigante roja: una bola brillante e hinchada de gas ionizado. Pero en lugar de preparar reacciones de fusión termonuclear en su núcleo invisible como lo haría una estrella ordinaria, un LRD albergaría un agujero negro en crecimiento, pero no completamente desarrollado, en su corazón. Al alimentarse de gas, este pequeño agujero negro generaría suficiente energía para sostener el capullo circundante y mantener su brillo.
Cualquiera de las dos explicaciones constituiría una revolución astrofísica. Si estos agujeros negros alcanzaran varios millones de masas solares tan pronto, su origen sería aún más misterioso. “Te señala algunas cosas exóticas”, dice Greene.
Asignar a los LRD un tamaño más pequeño evita el problema de los agujeros negros inexplicablemente demasiado grandes, pero sólo al calificarlos como una especie celeste recién descubierta y sin precedentes: la estrella del agujero negro. “Existe una tendencia a rebautizar fenómenos conocidos como algo nuevo”, afirma Roberto Maiolino, astrofísico de la Universidad de Cambridge y coautor del estudio de Nature. Doctorado en Cambridge. El estudiante Ignas Juodçabalis, colaborador de Maiolino y primer autor del estudio, está de acuerdo. “Creo que con los LRD, es más probable que estemos viendo un objeto familiar desde un ángulo desconocido”, dice, y agrega que los agujeros negros supermasivos de vainilla ya son “bastante extraños”.
La nueva medición intenta resolver este debate con una técnica llamada “espectroastrometría”, que los estudios han utilizado recientemente para determinar de manera inequívoca la masa de los agujeros negros supermasivos en algunas de las galaxias actuales. En este caso, los autores del estudio utilizaron JWST para recolectar la luz emitida por átomos de hidrógeno excitados en una vorágine de gas en órbitas lejanas alrededor del agujero negro.
Esta luz tiene una longitud de onda o color muy específico, pero las observaciones del JWST mostraron un cambio minúsculo en este color de un extremo de la vorágine al otro debido al movimiento del hidrógeno. Al igual que la sirena de una ambulancia que aumenta su tono a medida que se acerca y luego disminuye a medida que se aleja, la luz es ligeramente más azul cuando los átomos de hidrógeno se acercan a nosotros y ligeramente más roja cuando se alejan. A partir de este cambio, los investigadores determinaron la velocidad del gas a diferentes distancias orbitales del LRD. “Tienes mediciones independientes de velocidad y distancia”, dice Juodçabalis, “lo que significa que sabes exactamente la masa del objeto que hay dentro”.
Y para explicar las diferencias de velocidad que observaron los investigadores, este agujero negro central necesitaría pesar unos considerables 50 millones de masas solares. De ser cierto, el resultado “sería absolutamente una contradicción directa con la hipótesis de la estrella agujero negro”, dice Raphael Hviding, astrónomo del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, Alemania, que no participó en el trabajo.
De hecho, la medición implica que el agujero negro pesa más que su entorno. “El agujero negro parece ser más masivo que la propia galaxia anfitriona, si es que hay una galaxia anfitriona presente”, dice Maiolino. Un agujero negro tan aislado pero enorme podría ser producto de un colapso directo de nubes de gas poco después del Big Bang, o incluso podría ser “primordial”, un tipo hipotético nacido en el primer segundo del tiempo cósmico. “Este resultado puede ayudar a arrojar luz sobre la naturaleza de las semillas de los agujeros negros supermasivos actuales y cómo se formaron en el universo temprano”, dice el astrónomo Dale Kocevski, que no participó en el trabajo.
Pero el LRD está tan distante que algunos han cuestionado si se puede confiar en una técnica tan sutil. “Es una medición realmente valiente y difícil”, dice Greene. “Si alguien es capaz de reproducirlo de forma independiente, prestaré más atención”. Juodçabalis también está buscando otras formas de reforzar este trabajo, que describe como “llevar los datos al límite”.
Más allá del JWST, otros observatorios de vanguardia, como el Telescopio Extremadamente Grande de Europa en Chile, probablemente resolverán el debate de una forma u otra cuando entren en funcionamiento cerca o en la década de 2030. Al parecer, en las próximas décadas los astrónomos finalmente completarán la imagen de los objetos más grandes del universo, alrededor de los cuales gira literalmente casi todo lo demás.
“Tendremos los datos para hacerlo”, afirma Juodçabalis. “Definitivamente, durante mi vida, descubriremos no sólo los LRD, sino también de dónde provienen los agujeros negros supermasivos en general”.