El JWST ha detectado agujeros negros gigantes en todo el universo temprano

Como cualquier objeto, los agujeros negros necesitan tiempo para crecer y formarse. Y como un niño de 6 pies de altura, los gigantescos agujeros negros de Fan eran demasiado grandes para su edad: el universo no tenía la edad suficiente para que hubieran acumulado miles de millones de soles de peso. Para explicar a esos niños pequeños demasiado grandes, los físicos se vieron obligados a considerar dos opciones desagradables.

La primera fue que las galaxias de Fan comenzaron llenas de agujeros negros estándar, de masa aproximadamente estelar, del tipo que las supernovas suelen dejar atrás. Luego crecieron fusionándose y absorbiendo el gas y el polvo circundantes. Normalmente, si un agujero negro se alimenta de manera suficientemente agresiva, una efusión de radiación aleja sus bocados. Eso detiene el frenesí alimentario y establece un límite de velocidad para el crecimiento de los agujeros negros que los científicos llaman límite de Eddington. Pero es un techo blando: un torrente constante de polvo podría posiblemente superar la efusión de radiación. Sin embargo, es difícil imaginar que se pueda sostener un crecimiento tan “súper-Eddington” durante el tiempo suficiente para explicar las bestias de Fan: habrían tenido que crecer a una velocidad inconcebible.

O tal vez los agujeros negros puedan nacer increíblemente grandes. Las nubes de gas en el universo primitivo pueden haber colapsado directamente en agujeros negros que pesan muchos miles de soles, produciendo objetos llamados semillas pesadas. Este escenario también es difícil de digerir, porque nubes de gas tan grandes y grumosas deberían fracturarse en estrellas antes de formar un agujero negro.

Una de las prioridades del JWST es evaluar estos dos escenarios mirando hacia el pasado y captando los ancestros más débiles de las galaxias de Fan. Estos precursores no serían exactamente quásares, sino galaxias con agujeros negros algo más pequeños en camino de convertirse en quásares. Con JWST, los científicos tienen la mejor oportunidad de detectar agujeros negros que apenas han comenzado a crecer: objetos que son lo suficientemente jóvenes y pequeños como para que los investigadores determinen su peso al nacer.

Esa es una de las razones por las que un grupo de astrónomos del Cosmic Evolution Early Release Science Survey, o CEERS, dirigido por Dale Kocevski de Colby College, comenzaron a trabajar horas extras cuando notaron por primera vez signos de agujeros negros tan jóvenes apareciendo en los días posteriores a Navidad.

"Es impresionante la cantidad de estos que hay", escribió Jeyhan Kartaltepe, astrónomo del Instituto de Tecnología de Rochester, durante una discusión en Slack.

"Hay muchos pequeños monstruos escondidos", respondió Kocevski.

Ilustración: Samuel Velasco/Revista Quanta

Una multitud creciente de monstruos

En los espectros del CEERS, algunas galaxias inmediatamente surgieron como pequeños agujeros negros potencialmente escondidos: los pequeños monstruos. A diferencia de sus hermanas más vainilla, estas galaxias emitieron luz que no llegó con un solo tono nítido para el hidrógeno. En cambio, la línea de hidrógeno fue manchada, o ampliada, en una variedad de tonos, lo que indica que algunas ondas de luz fueron aplastadas cuando las nubes de gas en órbita aceleraron hacia JWST (al igual que una ambulancia que se aproxima emite un gemido ascendente cuando las ondas sonoras de su sirena se comprimen), mientras que otras Las olas se estiraron mientras las nubes se alejaban. Kocevski y sus colegas sabían que los agujeros negros eran prácticamente el único objeto capaz de arrojar hidrógeno de esa manera.

"La única forma de ver el componente amplio del gas que orbita alrededor del agujero negro es mirando directamente hacia el interior del cañón de la galaxia y hacia el interior del agujero negro", dijo Kocevski.

A finales de enero, el equipo de CEERS había logrado producir una preimpresión que describía a dos de los "pequeños monstruos escondidos", como los llamaban. Luego, el grupo se propuso estudiar sistemáticamente una franja más amplia de los cientos de galaxias recopiladas por su programa para ver cuántos agujeros negros había allí. Pero apenas unas semanas después fueron elegidos por otro equipo, dirigido por Yuichi Harikane de la Universidad de Tokio. El grupo de Harikane buscó 185 de las galaxias CEERS más distantes y encontró 10 con amplias líneas de hidrógeno, probablemente obra de agujeros negros centrales de un millón de masas solares con corrimientos al rojo entre 4 y 7. Luego, en junio, un análisis de otros dos estudios dirigidos por Jorryt Matthee, del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich, identificó otros 20 “pequeños puntos rojos” con amplias líneas de hidrógeno: agujeros negros que giran alrededor de un corrimiento al rojo de 5. Un análisis publicado a principios de agosto anunció otra docena, algunos de los cuales podrían incluso estar en proceso de creciendo fusionándose.