Se alimenta a un ritmo asombroso: descubren agujero negro supermasivo apenas 1.500 años después del Big Bang

Los agujeros negros supermasivos existen en el centro de la mayoría de las galaxias y los telescopios modernos continúan observándolos en momentos sorprendentemente tempranos de la evolución del Universo.

Es difícil entender cómo estos agujeros negros pudieron crecer tanto y tan rápidamente. Pero con el descubrimiento de un agujero negro supermasivo de baja masa que se alimenta de materia a un ritmo extremo, observado apenas 1.500 millones de años después del Big Bang, los astrónomos ahora tienen nuevos y valiosos conocimientos sobre los mecanismos de los agujeros negros de rápido crecimiento en el Universo primitivo.

LID-568 fue descubierto por un equipo interinstitucional de astrónomos dirigido por el astrónomo Hyewon Suh del Observatorio Internacional Gemini/NSF NOIRLab. Utilizaron el telescopio espacial James Webb (JWST) para observar una muestra de galaxias del sondeo legado COSMOS del Observatorio de rayos X Chandra.

Esta población de galaxias es muy brillante en la parte de rayos X del espectro, pero son invisibles en el óptico y el infrarrojo cercano. La sensibilidad infrarroja única del JWST le permite detectar estas débiles emisiones homólogas.

LID-568 se destacó dentro de la muestra por su intensa emisión de rayos X, pero su posición exacta no pudo determinarse solo a partir de las observaciones de rayos X, lo que generó inquietudes sobre el correcto centrado del objetivo en el campo de visión del JWST.

Por lo tanto, en lugar de utilizar la espectroscopia de rendija tradicional , los científicos de soporte de instrumentación del JWST sugirieron que el equipo de Suh utilizara el espectrógrafo de campo integral en el NIRSpec del JWST. Este instrumento puede obtener un espectro para cada píxel en el campo de visión del instrumento en lugar de limitarse a una porción estrecha.

“Debido a su naturaleza tenue, la detección de LID-568 hubiera sido imposible sin el JWST. El uso del espectrógrafo de campo integral fue innovador y necesario para realizar nuestra observación”, afirma Emanuele Farina, astrónomo del Observatorio Internacional Gemini/NSF NOIRLab y coautor del artículo que aparece en Nature Astronomy .

El NIRSpec del JWST permitió al equipo obtener una vista completa de su objetivo y su región circundante, lo que llevó al descubrimiento inesperado de potentes eflujos de gas alrededor del agujero negro central. La velocidad y el tamaño de estos eflujos llevaron al equipo a inferir que una fracción sustancial del crecimiento de masa de LID-568 puede haber ocurrido en un solo episodio de rápida acreción. “Este resultado fortuito agregó una nueva dimensión a nuestra comprensión del sistema y abrió caminos emocionantes para la investigación”, dice Suh.

En un descubrimiento sorprendente, Suh y su equipo descubrieron que LID-568 parece estar alimentándose de materia a un ritmo 40 veces superior al límite de Eddington. Este límite se relaciona con la luminosidad máxima que puede alcanzar un agujero negro, así como con la velocidad a la que puede absorber materia, de modo que su fuerza gravitatoria interna y la presión externa generada por el calor de la materia comprimida que cae hacia él permanezcan en equilibrio. Cuando se calculó que la luminosidad de LID-568 era mucho mayor de lo teóricamente posible, el equipo supo que tenían algo extraordinario en sus datos.

“Este agujero negro se está dando un festín”, afirma Julia Scharwächter, astrónoma del Observatorio Internacional Gemini/NSF NOIRLab y coautora del estudio. “Este caso extremo demuestra 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 conocimientos sobre la formación de agujeros negros supermasivos a partir de “semillas” de agujeros negros más pequeños, que las teorías actuales sugieren que surgen de la muerte de las primeras estrellas del Universo (semillas ligeras) o del colapso directo de nubes de gas (semillas pesadas). Hasta ahora, estas teorías carecían de confirmación observacional. “El descubrimiento de un agujero negro con acreción super-Eddington sugiere que una parte significativa del crecimiento de masa puede ocurrir durante un único episodio de alimentación rápida, independientemente de si el agujero negro se originó a partir de una semilla ligera o pesada”, dice Suh.

El descubrimiento de LID-568 también muestra que es posible que un agujero negro supere su límite de Eddington y ofrece a los astrónomos la primera oportunidad de estudiar cómo sucede esto. Es posible que los potentes flujos de salida observados en LID-568 puedan estar actuando como una válvula de escape para el exceso de energía generado por la acreción extrema, evitando que el sistema se vuelva demasiado inestable. Para investigar más a fondo los mecanismos en juego, el equipo está planeando observaciones de seguimiento con el JWST.