El Hubble detecta por primera vez el nacimiento de un agujero negro supermasivo

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Esta es una impresión artística de un agujero negro supermasivo que se encuentra dentro del núcleo cubierto de polvo de una galaxia con una fuerte formación estelar. Una vez que el polvo desaparezca, se convertirá en un cuásar extremadamente brillante. El equipo de investigación cree que el objeto, descubierto en un estudio de cielo profundo del Hubble, podría ser el "eslabón perdido" evolutivo entre los cuásares y las galaxias con brotes estelares. El agujero negro polvoriento data de sólo 750 millones de años después del Big Bang. Créditos: Ilustración: NASA, ESA, N. Bartmann

Un equipo internacional de astrónomos, utilizando datos de archivo del telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA y de otros observatorios espaciales y terrestres, ha descubierto un objeto único en el lejano y primitivo Universo que constituye un vínculo crucial entre las galaxias de formación estelar y la aparición de los primeros agujeros negros supermasivos. Este objeto es el primero de este tipo que se descubre en una etapa tan temprana de la historia del Universo, y había pasado desapercibido en una de las zonas mejor estudiadas del cielo nocturno.

Los astrónomos se han esforzado por comprender la aparición de agujeros negros supermasivos en el Universo primitivo desde que se descubrieron estos objetos a distancias correspondientes a un tiempo de sólo 750 millones de años después del Big Bang. Las teorías y las simulaciones informáticas predicen la existencia de agujeros negros de rápido crecimiento en galaxias polvorientas de formación estelar temprana, pero hasta ahora no se habían observado. Ahora, sin embargo, los astrónomos han informado del descubrimiento de un objeto -al que llaman GNz7q- que se cree que es el primer agujero negro de crecimiento rápido de este tipo que se encuentra en el Universo temprano. Los datos de archivo del Hubble procedentes de la Advanced Camera for Surveys ayudaron al equipo a estudiar la emisión ultravioleta compacta del disco de acreción del agujero negro y a determinar que GNz7q existió sólo 750 millones de años después del Big Bang.

"Nuestro análisis sugiere que GNz7q es el primer ejemplo de un agujero negro de rápido crecimiento en el núcleo polvoriento de una galaxia con brotes estelares en una época cercana al primer agujero negro supermasivo conocido en el Universo", explica Seiji Fujimoto, astrónomo del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague (Dinamarca) y autor principal del artículo que describe este descubrimiento. "Las propiedades del objeto en todo el espectro electromagnético están en excelente acuerdo con las predicciones de las simulaciones teóricas".

Las teorías actuales predicen que los agujeros negros supermasivos comienzan su vida en los núcleos cubiertos de polvo de las galaxias de formación estelar vigorosa antes de expulsar el gas y el polvo circundantes y emerger como cuásares extremadamente luminosos. Aunque son extremadamente raros, se han detectado ejemplos tanto de galaxias polvorientas con brotes estelares como de cuásares luminosos en el Universo primitivo. El equipo cree que GNz7q podría ser el "eslabón perdido" entre estas dos clases de objetos.

El Hubble hizo un acercamiento al universo antiguo y detectó el agujero negro de rápido crecimiento, llamado GNZ7q. Fuente: NASA, ESA, Garth Illingworth (UC Santa Cruz), Pascal Oesch (UC Santa Cruz, Yale), Rychard Bouwens (LEI), I. Labbe (LEI), Cosmic Dawn Center/Niels Bohr Institute/Universidad de Copenhague, Dinamarca

"GNz7q proporciona una conexión directa entre estas dos raras poblaciones y ofrece una nueva vía para entender el rápido crecimiento de los agujeros negros supermasivos en los primeros tiempos del Universo", continuó Fujimoto. "Nuestro descubrimiento es un precursor de los agujeros negros supermasivos que observamos en épocas posteriores".

Aunque no se pueden descartar por completo otras interpretaciones de los datos del equipo, las propiedades observadas de GNz7q concuerdan en gran medida con las predicciones teóricas. La galaxia anfitriona de GNz7q está formando estrellas a un ritmo de 1.600 masas solares de estrellas por año y la propia GNz7q aparece brillante en longitudes de onda ultravioleta, pero muy débil en longitudes de onda de rayos X. El equipo ha interpretado este hecho -junto con el brillo de la galaxia anfitriona en longitudes de onda infrarrojas- para sugerir que GNz7q alberga un agujero negro de rápido crecimiento que aún está oculto por el núcleo polvoriento de su disco de acreción en el centro de la galaxia anfitriona de formación estelar.

Además de la importancia de GNz7q para la comprensión de los orígenes de los agujeros negros supermasivos, este descubrimiento es digno de mención por su ubicación en el campo norte del GOODS de Hubble, una de las zonas más examinadas del cielo nocturno.

"GNz7q es un descubrimiento único que se encontró justo en el centro de un campo celeste famoso y bien estudiado, lo que demuestra que los grandes descubrimientos a menudo pueden estar ocultos justo delante de ti", comentó Gabriel Brammer, otro astrónomo del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague y miembro del equipo que está detrás de este resultado. "Es poco probable que el descubrimiento de GNz7q dentro de la relativamente pequeña área de estudio del GOODS-N haya sido sólo "suerte", sino que la prevalencia de este tipo de fuentes puede ser, de hecho, significativamente mayor de lo que se pensaba".

El hallazgo de GNz7q, que se escondía a la vista, sólo fue posible gracias a los conjuntos de datos exclusivamente detallados y de múltiples longitudes de onda disponibles para GOODS-North. Sin esta riqueza de datos, GNz7q habría sido fácil de pasar por alto, ya que carece de los rasgos distintivos que suelen utilizarse para identificar los cuásares en el Universo temprano. El equipo espera ahora buscar sistemáticamente objetos similares mediante estudios específicos de alta resolución y aprovechar los instrumentos espectroscópicos del telescopio espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA para estudiar objetos como GNz7q con un detalle sin precedentes.

"El telescopio espacial James Webb permitirá caracterizar completamente estos objetos y estudiar su evolución y su física subyacente con mucho más detalle", concluyó Fujimoto. "Una vez en funcionamiento regular, Webb tendrá el poder de determinar de forma decisiva lo comunes que son realmente estos agujeros negros de rápido crecimiento".

Fuentes, créditos y referencias:

Fujimoto, S., Brammer, G.B., Watson, D. et al. A dusty compact object bridging galaxies and quasars at cosmic dawn. Nature 604, 261–265 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04454-1

Fuente: NASA