Utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST), los astrónomos han “pesado” un gigante dormido: un agujero negro supermasivo inactivo ubicado a una asombrosa distancia de 10 mil millones de años luz. Eso convierte a este agujero negro en el agujero negro supermasivo más distante cuya masa jamás hayan medido los científicos.
El agujero negro supermasivo se encuentra en el corazón de la galaxia MRG-M0138, que se ve tal como era cuando el universo tenía alrededor de 4 mil millones de años y ahora sabemos, gracias al Telescopio Espacial James Webb (JWST), que pesa nada menos que 6 mil millones de veces la masa del sol.
Los agujeros negros supermasivos pueden ser muy llamativos cuando se alimentan activamente y, por lo tanto, están rodeados por una gran cantidad de materia en una región llamada núcleos galácticos activos (AGN). Debido a las inmensas fuerzas gravitacionales del agujero negro, un AGN brilla con mucha intensidad. Sin embargo, debido a que los agujeros negros están rodeados por un límite que atrapa la luz llamado horizonte de sucesos, los agujeros negros inactivos con despensas que no están tan bien abastecidas son mucho más esquivos. Son prácticamente invisibles. Aún así, incluso estos agujeros negros tienen influencias gravitacionales que pueden impactar más que los platos arremolinados de gas y polvo; esa influencia también puede afectar el movimiento de las estrellas que orbitan alrededor de los agujeros negros. Y esas estrellas son efectivamente visibles.
Para detectar y medir la masa de este agujero negro supermasivo, el equipo detrás de esta investigación utilizó el JWST para rastrear el movimiento de las estrellas en el corazón de MRG-M0138. Este truco de seguimiento de estrellas se ha utilizado en el pasado para pesar agujeros negros inactivos mucho más cerca de la Tierra; por ejemplo, el agujero negro supermasivo de 4,3 millones de masa solar en el corazón de nuestra propia galaxia, Sagitario A* (Sgr A*). Sin embargo, Sgr A* y las estrellas que la acompañan están a sólo 26.000 años luz de distancia, y el agujero negro más distante para pesar con esta técnica, llamada dinámica estelar, se encontraba a sólo 700 millones de años luz de distancia. A aproximadamente 15 veces la distancia récord anterior, esta nueva investigación es la primera vez que se emplea con éxito para medir la masa de un gigante dormido tan distante.
“Determinar cómo se mueven colectivamente las estrellas dentro del núcleo de esta galaxia distante nos ha permitido medir la masa de su agujero negro supermasivo, que de otro modo sería indetectable”, dijo en un comunicado el líder del equipo y científico del University College of London, Richard Ellis. “Al demostrar la viabilidad de esta técnica para las galaxias del universo temprano, ahora podemos realizar un censo más completo de cómo se desarrollan los agujeros negros con el tiempo e inferir su papel en la configuración de la evolución de las galaxias”.
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Sin embargo, determinar el movimiento de las estrellas en el corazón de MRG-M0138 no fue nada sencillo. Se requirió un fenómeno cósmico natural conocido como lentes gravitacionales, que surgió de la teoría de la gravedad de la obra maestra de Albert Einstein, conocida como relatividad general.
¿Qué es la lente gravitacional?
La relatividad general predice que los objetos con masa crean una curvatura real en el tejido del espacio-tiempo, la unificación cuatridimensional de las tres dimensiones del espacio y la dimensión única del tiempo. La gravedad surge de esta curvatura, y debido a que cuanto mayor es la masa, mayor es la curvatura, cuanto mayor es la masa de un objeto, más fuerte es su gravedad.
Las lentes gravitacionales ocurren cuando un objeto masivo, como una galaxia o un cúmulo de galaxias, se encuentra entre un objeto en primer plano más distante y la Tierra. A medida que la luz de una fuente de fondo pasa por la curvatura del espacio causada por el objeto masivo del primer plano, o lente gravitacional, su trayectoria generalmente recta se vuelve curva.
Cuanto más cerca pasa la luz de la lente gravitacional, más se desvía su trayectoria, y eso significa que la luz de un mismo objeto llega a nuestros telescopios en momentos diferentes. Esto puede ampliar el objeto y, en casos extremos, puede hacer que el mismo objeto aparezca varias veces en diferentes posiciones de la misma imagen.
El efecto de lente gravitacional de una galaxia entre MRG-M0138 y la Tierra reenfocó la luz de esa galaxia distante, ampliándola 30 veces, lo que permitió a Ellis y sus colegas reconstruir intrincadamente los detalles internos de MRG-M0138.
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“Al combinar los datos del JWST con lentes gravitacionales, podríamos mirar dentro de la esfera de influencia del agujero negro, donde su gravedad aumenta la velocidad de las estrellas”, dijo Andrew Newman de Carnegie Science en Pasadena, California. “Esta es una de las mejores técnicas que tenemos para pesar un agujero negro, por lo que estábamos entusiasmados de extenderla a un período mucho más temprano de la historia cósmica”.
Además de investigar este agujero negro inactivo, el equipo también determinó que MRG-M0138 está inactivo, lo que significa que ya no está formando nuevas estrellas. Esto es probablemente el resultado de que el agujero negro supermasivo experimentó un voraz frenesí de alimentación en etapas anteriores de su historia, cuando habría aparecido como un quásar llameante en el corazón de un AGN. La energía liberada durante esta fase habría alejado el gas y el polvo tanto del agujero negro, poniendo fin a su fase de alimentación, como del propio MRG-M0138. Esto agotaría la galaxia de la materia prima para la formación de estrellas, frenando así su tasa de natalidad estelar.
Esto significa que con estas observaciones, y con más datos del JWST sobre agujeros negros supermasivos inactivos, los científicos pueden comprender mejor la relación entre el crecimiento de las galaxias y el crecimiento de los agujeros negros supermasivos, así como el papel que desempeñan estos titanes cósmicos a la hora de interrumpir la formación de estrellas en sus galaxias anfitrionas.
La investigación del equipo fue publicada el jueves (4 de junio) en Science.