Por primera vez, los astrónomos descubren tres agujeros negros supermasivos en una misma galaxia gracias a James Webb

Un equipo internacional de astrónomos, liderado por el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, ha identificado tres agujeros negros supermasivos en fase de acreción activa en la galaxia J0148-4214. Se trata de agujeros negros en los que cae materia desde un disco de acreción que los rodea.

La galaxia se encuentra a más de 12.500 millones de años luz de la Tierra. A esta distancia, la expansión del espacio se hace evidente. Por lo tanto, la galaxia parece alejarse de nosotros, lo que provoca que la luz que recibimos de ella se desplace hacia longitudes de onda más largas, resultando en un corrimiento al rojo de z=5,02. Utilizando este corrimiento al rojo, los investigadores calcularon la enorme distancia de la galaxia. Está tan lejos que su luz ha viajado durante 12.500 millones de años. Por consiguiente, estamos viendo la galaxia tal como era hace tan solo unos 1.200 millones de años después del Big Bang.

Una galaxia y tres agujeros negros

«Esta es la primera evidencia de tres agujeros negros activos en una sola galaxia en el universo distante», afirma Hannah Übler, líder del grupo de investigación en el MPE y autora principal del estudio. Dos de ellos se encuentran en el centro galáctico y están separados por tan solo 620 años luz en proyección. Un tercer agujero negro se ubica en la región exterior de la galaxia, a una distancia aproximada de 5500 años luz del centro. «Esto sugiere que los procesos en el universo primitivo fueron eficientes para agrupar agujeros negros masivos, preparando el terreno para las fusiones de agujeros negros masivos que esperamos detectar con futuros observatorios de ondas gravitacionales», explica Übler. Esto se debe a que las teorías de la evolución galáctica —basadas en observaciones— sugieren que, al principio de la historia del universo, las galaxias se acercaron mucho entre sí y se fusionaron. En el proceso, los agujeros negros en sus centros también se fusionaron y dieron origen a agujeros negros con masas aún mayores en los centros de las galaxias fusionadas.

Emisión de hidrógeno como trazador

Los investigadores identificaron los agujeros negros mediante sus huellas espectrales: las señales de átomos de hidrógeno moviéndose a alta velocidad en el potencial gravitatorio de los agujeros negros. En la región central, el espectro presenta una estructura compleja que se explica mejor por la presencia de dos agujeros negros muy próximos entre sí. Para diferenciar las dos fuentes centrales, el equipo aplicó espectroastrometría, una técnica que mide con precisión los desplazamientos espaciales de la emisión de líneas a través de la galaxia. Esto permitió determinar la posición de los agujeros negros, aunque no se pueden resolver espacialmente como fuentes puntuales separadas. Se detectó un tercer agujero negro en la región exterior.

Masas y crecimiento

El análisis arroja masas de agujeros negros de aproximadamente 80 millones, 0,6 millones y 2 millones de soles. El agujero negro más masivo está acumulando materia a un ritmo menor que el agujero negro cercano con una masa de 0,6 millones de soles, el cual se está alimentando activamente e incluso supera la tasa máxima de acreción predicha por las teorías básicas del crecimiento de los agujeros negros (el límite de Eddington).

«Los datos del JWST nos permitieron no solo identificar los tres agujeros negros, sino también estimar sus masas, tasas de acreción y la masa estelar de la galaxia», afirma el Dr. Giovanni Mazzolari, segundo autor del estudio e investigador del MPE. «Hemos hallado una masa estelar total de aproximadamente 1300 millones de soles, y los agujeros negros representan una fracción significativa de ella».

Se prevé que el par de agujeros negros centrales se fusione en los próximos cientos de millones de años. «Estos resultados son sumamente interesantes», añade Roberto Maiolino, profesor de la Universidad de Cambridge y coautor del estudio. «Sugieren que la fusión de agujeros negros podría ser una vía adicional y rápida para su rápido crecimiento en el universo primitivo».

El tercer agujero negro, situado fuera del núcleo, podría ser el remanente de una fusión anterior, desplazado del centro por el retroceso gravitacional, o podría estar migrando hacia el interior en la actualidad.

Implicaciones para la investigación

Estas observaciones demuestran que la espectroscopia de campo integral es una herramienta importante para identificar múltiples agujeros negros activos en galaxias distantes. Sin la información con resolución espacial proporcionada por NIRSpec-IFS, probablemente solo se habría detectado uno de los tres agujeros negros.

Directo al grano

Descubren tres agujeros negros en una galaxia: Por primera vez, investigadores han descubierto tres agujeros negros supermasivos en una galaxia (J0148-4214), cada uno de los cuales está acumulando materia activamente de su entorno. Sus masas oscilan entre unas pocas y unos 80 millones de masas solares. Dos de los agujeros negros se encuentran muy cerca uno del otro en el centro de la galaxia, mientras que el tercero está situado más lejos.

Método de detección: El descubrimiento fue posible gracias a la espectroscopia con resolución espacial, utilizando un instrumento a bordo del telescopio espacial James Webb.

Crecimiento de los agujeros negros: Los hallazgos sugieren que las fusiones e interacciones en el universo primitivo pueden haber contribuido al rápido crecimiento de los agujeros negros supermasivos.

Fuente: Max Planck Society