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Astrónomos de NOIRLab descubren el agujero negro más voraz del Universo primitivo

Observaciones de los telescopios James Webb y Chandra revelan un agujero negro supermasivo que consume materia a más de 40 veces el límite teórico

4 Noviembre 2024

Utilizando datos de los telescopios James Webb y del Observatorio de Rayos X Chandra, ambos de la NASA, un equipo de astrónomos de NOIRLab, de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos, descubrieron un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia ubicada apenas a 1.500 millones de años después del Big Bang, que consume materia a un ritmo fenomenal de más de 40 veces el límite teórico. A pesar de su corta vida, el festín del agujero negro podría ayudar a los astrónomos a explicar el veloz crecimiento de los agujeros negros supermasivos en el Universo primitivo.

Los agujeros negros supermasivos existen en el centro de la mayoría de las galaxias y los telescopios modernos son capaces de observarlos sorprendentemente en momentos muy tempranos de la historia del Universo. Es difícil entender cómo estos agujeros negros pudieron crecer tan rápidamente, pero con el reciente descubrimiento de un agujero negro supermasivo de baja masa que se alimenta de materia un ritmo extremadamente rápido, observado a tan sólo 1.500 millones de años después del Big Bang, los astrónomos disponen de nuevos y valiosos datos sobre los mecanismos de crecimiento veloz de los agujeros negros en el Universo primitivo.

El agujero, conocido como LID-568, fue descubierto por un equipo compuesto por astrónomos de diversas organizaciones y liderado por el astrónomo Hyewon Suh del Observatorio Internacional Gemini de NOIRLab de NSF. Para ello utilizaron el Telescopio Espacial James Webb Space Telescope (JWST, por sus siglas en inglés) con el cual observaron una muestra de galaxias del estudio COSMOS del Observatorio de Rayos X Chandra. Esta población de galaxias es muy brillante en la parte de rayos X del espectro electromagnético de la luz, pero son invisibles en el rango óptico y en el infrarrojo cercano. La sensibilidad infrarroja particular del JWST permitió detectar estas débiles emisiones.

LID-568 destacaba dentro de la muestra por su intensa radiación en Rayos X, pero su posición exacta no podía determinarse únicamente a partir de las observaciones de rayos X, lo que suscitaba dudas sobre el correcto centrado del objetivo en el campo de visión del James Webb. Por ese motivo, en vez de utilizar la tradicional espectroscopía de rendija, los científicos de apoyo a la instrumentación del James Webb sugirieron al equipo de Suh’s utilizar el espectrógrafo de campo integral del instrumento NIRSpec del James Webb. Este instrumento puede obtener un espectro para cada píxel en el campo de visión del instrumento en lugar de estar limitado a un estrecho corte.

De acuerdo al astrónomo del Observatorio Internacional Gemini y coautor del artículo publicado en Nature Astronomy, Emanuele Farina, “debido a su débil naturaleza, la detección de LID-568 habría sido imposible sin el James Webb. El uso del espectrógrafo de campo integral fue innovador y necesario para obtener nuestra observación”.

El instrumento NIRSpec del James Webb permitió al equipo obtener una visión completa de su objetivo y de la región circundante, lo que condujo al inesperado descubrimiento de potentes flujos de gas alrededor del agujero negro central. La velocidad y el tamaño de estos flujos llevaron al equipo a inferir que una fracción sustancial del crecimiento de la masa de LID-568 pudo producirse en un episodio único de rápida acreción. Al respecto, Suh indicó que “este resultado fortuito agregó una nueva dimensión a nuestra comprensión del sistema y abrió interesantes vías de investigación”.

Suh y su equipo descubrieron que LID-568 parece alimentarse de materia a una velocidad 40 veces más rápido que el límite de Eddington. Este límite se refiere a la luminosidad máxima que puede alcanzar un agujero negro, así como a la velocidad a la que puede absorber materia, de forma que su fuerza gravitatoria hacia el interior y la presión hacia el exterior generada por el calor de la materia comprimida permanezcan en equilibrio. Cuando se calculó que la luminosidad de LID-568’s era mucho mayor que lo teóricamente posible, el equipo supo que sus datos contenían algo extraordinario.

“Este agujero negro se está dando un festín,” indicó la astrónoma del Observatorio Internacional Gemini y co autora del estudio, Julia Scharwächter. “Este caso extremo muestra que un mecanismo de alimentación rápida por encima del límite de Eddington es una de las posibles explicaciones de por qué vemos estos agujeros negros tan pesados tan temprano en el Universo”.

Estos resultados aportan nuevos conocimiento sobre la formación de agujeros negros supermasivos a partir de “semillas” de agujeros negros más pequeños, que según las teorías actuales, surgen de la muerte de las primeras estrellas del Universo (semillas livianas), o del colapso directo de nubes de gas (semillas pesadas). Hasta ahora, estas teorías carecían de confirmación observacional. Al respecto, Suh destacó que “el descubrimiento de un agujero negro superacumulador de Eddington sugiere que una parte significativa del crecimiento de masa puede producirse durante un episodio único de alimentacion rápida, independientemente de si el agujero negro se originó a partir de una semilla ligera o pesada”.

El descubrimiento de LID-568 también demuestra que es posible que un agujero negro supere su límite de Eddington y ofrece a los astrónomos la posibilidad de estudiar cómo ocurre esto. Es posible que los potentes flujos observados en LID-568 puedan actuar como una válvula de escape del exceso de energía generado por la acreción extrema, evitando que el sistema se vuelve demasiado inestable. Para investigar más a fondo los mecanismos que están en juego, el equipo está planificando observaciones de seguimiento con James Webb.

Más Información

Esta investigación se presentó en un artículo de investigación publicado como “A super-Eddington-accreting black hole ~1.5 Gyr after the Big Bang observed with JWST” en la revista Nature Astronomy. DOI: 10.1038/s41550-024-02402-9

El equipo de investigación estaba compuesto por Hyewon Suh (International Gemini Observatory/NSF NOIRLab, USA), Julia Scharwächter (International Gemini Observatory/NSF NOIRLab, USA), Emanuele Paolo Farina (International Gemini Observatory/NSF NOIRLab, USA), Federica Loiacono (INAF – Astrophysics and Space Science Observatory, Italy), Giorgio Lanzuisi (INAF – Astrophysics and Space Science Observatory, Italy), Günther Hasinger (Institute of Nuclear and Particle Physics/DESY/German Center for Astrophysics, Germany), Stefano Marchesi (INAF-Astrophysics and Space Science Observatory, Italy), Mar Mezcua (Institute of Space Sciences/Institute of Spatial Studies of Catalonia, Spain), Roberto Decarli (INAF – Astrophysics and Space Science Observatory, Italy), Brian C. Lemaux (International Gemini Observatory/NSF NOIRLab, USA, Institute of Astrophysics, Italy), Marta Volonteri (Paris Institute of Astrophysics, France), Francesca Civano (NASA Goddard Space Flight Center, USA), Sukyoung K. Yi (Department of Astronomy and Yonsei University Observatory, Republic of Korea), San Han (Department of Astronomy and Yonsei University Observatory, Republic of Korea), Mark Rawlings (International Gemini Observatory/NSF NOIRLab, USA), Denise Hung (International Gemini Observatory/NSF NOIRLab, USA)

NOIRLab de NSF (Laboratorio Nacional de Investigación en Astronomía Óptica-Infrarroja de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos), el centro de EE.UU. para la astronomía óptica-infrarroja terrestre, opera el Observatorio Internacional Gemini (una instalación de NSF, NRC–Canada, ANID–Chile, MCTIC–Brasil, MINCyT–Argentina y KASI – República de Corea), el Observatorio Nacional Kitt Peak (KPNO), el Observatorio Cerro Tololo (CTIO), el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC) y el Observatorio Vera C. Rubin (operado en cooperación con el National Accelerator Laboratory (SLAC) del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). Está administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con NSF y tiene su sede central en Tucson, Arizona. La comunidad astronómica tiene el honor de tener la oportunidad de realizar investigaciones astronómicas en I’oligam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, en Maunakea, en Hawai‘i, y en Cerro Tololo y Cerro Pachón en Chile. Reconocemos y apreciamos el importante rol cultural y la veneración que estos sitios tienen para la Nación Tohono O’odham, para la comunidad nativa de Hawai‘i y para las comunidades locales en Chile, respectivamente.