Una gran cantidad de agujeros negros supermasivos que poblaron el universo durante las edades oscuras cósmicas parecen exceder drásticamente las estimaciones de cuántos miles de millones demasa solar agujeros negros debería haber existido en aquel entonces. El sorprendente hallazgo es el resultado de un estudio de 14 años realizado con el Telescopio espacial Hubble.
El equipo de estudio, dirigido por Matthew Hayes de la Universidad de Estocolmo, buscó estos primeros negro supermasivo agujeros rastreando el campo ultraprofundo del Hubble en busca de objetos débiles que parezcan exhibir un brillo variable.
El campo ultraprofundo del Hubble ofrece una visión extremadamente profunda de una pequeña porción del cielo nocturno: 3,1 minutos de arco cuadrados, para ser precisos. Contiene alrededor de 10.000 galaxias de todos los diferentes épocas de la historia cósmicaexistiendo el más débil cuando el universo Tenía menos de 500 millones de años.
El grupo de Hayes estudió una pequeña muestra del campo ultraprofundo del Hubble, buscando cualquier cosa que pudiera haber cambiado el brillo con el tiempo. El razonamiento detrás de este criterio es que los agujeros negros supermasivos deberían haber crecido muy rápidamente hasta alcanzar tanta masa en menos de mil millones de años después de la gran explosión – y para crecer tan rápidamente, deberían haberse alimentado rápidamente de la materia que forma discos de acreción intensamente calientes y luminosos alrededor del agujero negro. Los astrónomos llaman más específicamente a estos objetos AGN, o núcleos galácticos activos, y pueden eclipsar significativamente al resto de su galaxia anfitriona.
Sin embargo, la tasa de caída de materia en un AGN no es constante. Como un río, el flujo a veces puede aumentar y otras veces reducirse a un hilo. A su vez, esto puede afectar el brillo de un AGN. Entonces, el equipo de Hayes buscó en el campo ultraprofundo del Hubble cualquier cosa que cambiara el brillo porque esa variación podría indicar un AGN.
En su pequeña área de búsqueda, los investigadores encontraron 71 fuentes variables. Muchos de ellos se ven tal como eran cuando el universo tenía sólo varios miles de millones de años. Algunas de las materias seleccionadas están asociadas con supernova explosiones en una galaxia en el campo de visión, pero tres de las fuentes parecen ser AGN que existieron hace más de 12,7 mil millones de años, cuando el cosmos tenía menos de mil millones de años.
Dado lo pequeña que era la porción observada del cielo nocturno, encontrar tres AGN lo suficientemente potentes como para marcar agujeros negros de mil millones de masas solares en una época tan temprana supera con creces las expectativas (a modo de comparación, el agujero negro supermasivo de nuestra galaxia, Sagitario A*tiene sólo 4,1 millones de masas solares y ha tenido más de 13 mil millones de años para crecer hasta su tamaño). Extrapolar a todo el cielo también significa llegar a la conclusión de que agujeros negros tan enormes deben haber abundado en esta época antigua del universo. Y sus números mejorados pueden proporcionar pistas sólidas sobre cómo se formaron.
“Muchos de estos objetos parecen ser más masivos de lo que originalmente pensamos que podrían ser en tiempos tan tempranos: o se formaron muy masivos o crecieron extremadamente rápido”, dijo Alice Young de la Universidad de Estocolmo, miembro del equipo de Hayes. en un declaración.
Uno de los AGN lejanos, etiquetado como 105212, iluminado en 0,3 magnitudes entre 2009 y 2012, pero para 2023 se había desvanecido en 0,17 magnitudes. Se mide para estar en un corrimiento al rojo de 6,7, lo que significa que lo vemos tal como existía hace unos 12.800 millones de años. Otro AGN, designado 101159, tiene un corrimiento al rojo similar de 6,5 y fue visible en 2009, pero desapareció de la vista durante los años 2012 y 2023. Sin embargo, sabemos que es real, porque el Telescopio espacial James Webb (JWST) desde entonces ha fotografiado la galaxia anfitriona en la que reside este AGN. El tercer AGN de alto corrimiento al rojo es 1052156, que tiene un corrimiento al rojo de 6,2 y se observó que cambió el brillo en 0,2 magnitudes entre 2009 y 2012, y se había desvanecido de la vista hacia 2023.
hay muchos hipótesis sobre cómo surgieron los agujeros negros supermasivos en el universo primitivo. ¿Nacieron inmediatamente después del Big Bang a partir de microscópicos agujeros negros semilla primordiales que han estado creciendo desde entonces? ¿O obtuvieron un impulso en su crecimiento al formarse mediante el colapso directo de una inmensa nube de gas miles de veces más masiva que nuestro sol?
La densidad numérica de los agujeros negros de mil millones de masas solares en el universo temprano que el equipo de Hayes descubrió en realidad se ajusta mejor a las simulaciones que representan agujeros negros supermasivos que crecen a partir del colapso de las primeras estrellas extremadamente masivas. Estas estrellas se formaron en enormes “minihalos” de materia y materia oscura en el cosmos y tenía masas miles de veces mayores que nuestro sol.
Sin embargo, en lugar de explotar como supernovas, estas estrellas primordiales colapsaron rápidamente sobre sí mismas debido a su propia atracción gravitacional, formando lo que se llama agujeros negros de masa intermedia (más masivos que los típicos agujeros negros de masa estelar producidos hoy por explosiones de supernovas, pero menos masivos que los gigantes supermasivos). Estas primeras estrellas se formaron quizás entre 150 y 200 millones de años después del Big Bang, y rápidamente comenzaron a consumir materia y a crecer.
La siguiente generación de estrellas que se formó no habría podido formar agujeros negros de masas tan enormes, porque sus zonas de nacimiento fueron irradiadas por la luz ultravioleta de otras estrellas cercanas y sacudidas por las ondas de choque de supernovas cercanas, lo que habría alterado las condiciones para la formación de estrellas. formación. La siguiente generación de estrellas fueron estrellas más “normales” con masas típicas de las que encontramos hoy en nuestra galaxia.
‘”El mecanismo de formación de los primeros agujeros negros es una parte importante del rompecabezas de la evolución de las galaxias”, afirmó Hayes. “Junto con los modelos de cómo crecen los agujeros negros, los cálculos de la evolución de las galaxias ahora pueden ubicarse sobre una base más motivada físicamente, con un esquema preciso de cómo los agujeros negros surgieron a partir del colapso de estrellas masivas”.
Si se interpretan correctamente, estos hallazgos podrían enseñarnos no sólo sobre los agujeros negros supermasivos, sino también sobre las primeras estrellas que existieron. El siguiente paso es explorar aún más cuidadosamente y más profundamente el universo con el JWST. Sin embargo, como se lanzó recién en diciembre de 2021, el JWST aún no ha tenido la oportunidad de realizar observaciones durante un período de tiempo suficientemente largo para detectar la variabilidad de AGN en el universo temprano. El JWST tomó imágenes del campo ultraprofundo del Hubble por sí solo por primera vez en 2023, pero, como escribe el equipo de Hayes en su artículo de investigación, el Telescopio Espacial Hubble ha proporcionado una ventaja.
Los hallazgos fueron publicados el 6 de agosto en Las cartas del diario astrofísico.