Investigadores utilizando el telescopio espacial James Webb de la NASA han realizado la primera medición directa de la masa de un agujero negro supermasivo en el universo temprano, confirmando que algunos de estos objetos alcanzaron tamaños colosales desde su formación, sin necesidad de crecer gradualmente a partir de agujeros negros más pequeños.

El descubrimiento se centra en Abell2744-QSO1, un objeto conocido como Punto Rojo Pequeño que existió apenas 700 millones de años después del Big Bang, según Roberto Maiolino de la Universidad de Cambridge en Reino Unido, coautor de los estudios. "Este es un hallazgo notable. Es un cambio de paradigma, una revisión total de los escenarios clásicos de cómo se forman y crecen los agujeros negros", dijo Maiolino.

La pregunta sobre qué surge primero, la galaxia o el agujero negro, ha sido objeto de debate científico durante años. Los científicos han pensado tradicionalmente que podría ser la galaxia: estrellas grandes dentro de una galaxia existente consumen su combustible y colapsan para formar agujeros negros, que pueden absorber material circundante y fusionarse con el tiempo para formar entidades más masivas.

Sin embargo, ha sido difícil determinar cómo los agujeros negros de millones a miles de millones de veces la masa del Sol, miles de los cuales han sido detectados ahora en el universo temprano, podrían haber crecido tan rápidamente a partir de semillas tan pequeñas.

El objeto QSO1, aunque tiene solo 1.300 años luz de diámetro y su luz ha estado viajando durante más de 13.000 millones de años, es más fácil de estudiar que la mayoría de los otros Puntos Rojos Pequeños porque está magnificado gravitacionalmente por el cúmulo de galaxias Abell 2744, conocido como el Cúmulo de Pandora. QSO1 está tanto magnificado como triplicado en imagen, apareciendo en tres ubicaciones diferentes en el cielo.

Los estudios iniciales de QSO1 revelaron evidencia convincente de que puede ser poco más que una nube de gas de hidrógeno y helio brillante girando alrededor de un agujero negro supermasivo estimado en 40 millones de veces la masa del Sol. Pero como con otros agujeros negros tempranos descubiertos por Webb, había incertidumbre sobre si realmente era tan masivo.

"Antes de ahora, todas las mediciones de masa de agujeros negros en el universo temprano han sido indirectas, basadas en suposiciones de lo que sabemos sobre ellos en el universo local. No sabíamos si esas suposiciones realmente se aplican al universo distante", dijo el coautor Francesco D'Eugenio, también de la Universidad de Cambridge.

El equipo reconoció que si el agujero negro de QSO1 es tan masivo como parece, deberían poder usar la unidad de campo integral en el NIRSpec (Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano) de Webb para rastrear los efectos de su gravedad en el gas que gira a su alrededor, mientras también mapean la distribución de varios elementos en el gas.

Ignas Juodžbalis, estudiante de posgrado de Cambridge, y Cosimo Marconcini de la Universidad de Florencia, autores principales de uno de los estudios, utilizaron las observaciones de la unidad de campo integral para mapear los movimientos del gas de hidrógeno que rodea el agujero negro. Cuando graficaron la velocidad de rotación en función de la distancia desde el centro, encontraron que el gas tiene movimiento kepleriano: orbita un punto central de la misma manera que los planetas en nuestro sistema solar orbitan el Sol.

"Esto es importante porque nos dice que la mayor parte de la masa de QSO1 está concentrada en el agujero negro en el centro", dijo Juodžbalis. "Si la masa estuviera más distribuida, como sería si hubiera muchas estrellas, el gas no tendría esta rotación kepleriana perfecta".

Dado que el movimiento kepleriano se rige por leyes simples de gravedad, el equipo pudo usar las mediciones de velocidad del gas para calcular la masa del agujero negro directamente, una hazaña que no había sido posible anteriormente.

Descubrieron que no solo el agujero negro es inmenso, aproximadamente 50 millones de masas solares, sino que constituye, como mínimo, asombrosas dos terceras partes de la masa total de QSO1. Esta proporción es miles de veces mayor que en las galaxias cercanas, donde los agujeros negros supermasivos constituyen solo una fracción diminuta de la masa total de la galaxia anfitriona.

Los mapas de composición de la unidad de campo integral respaldaron estos resultados, mostrando que el gas en todo QSO1 es casi completamente hidrógeno y helio, con muy poco de los elementos más pesados como el oxígeno que se esperarían en una galaxia rica en estrellas y escombros estelares. Con una metalicidad inferior al 0,5% de la del Sol, QSO1 es uno de los entornos galácticos más prístinos jamás medidos.

"Este es un resultado fenomenal", dijo Maiolino. "Es la primera medición directa de una masa de agujero negro dentro de los primeros mil millones de años después del Big Bang, y es consistente con las mediciones anteriores". El equipo piensa que este es un buen indicio de que las suposiciones utilizadas para las mediciones de masa indirectas son válidas y que las masas de otros agujeros negros en el universo temprano no han sido sobreestimadas.

El tamaño desproporcionado de la masa de QSO1 en relación con su galaxia anfitriona sugiere que no puede haberse formado gradualmente a partir de agujeros negros mucho más pequeños, de masa estelar, fusionándose y alimentándose. "Parece que hemos encontrado un agujero negro que no tiene una galaxia anfitriona sustancial y que ha precedido a los procesos estelares", dijo Juodžbalis. "Esto es muy emocionante porque es evidencia de agujeros negros primordiales o agujeros negros de colapso directo, que han sido teorizados pero no confirmados".

Ya sea que el agujero negro de QSO1 evolucionó a partir de una "semilla pesada" que se formó dentro del primer segundo del Big Bang o algo más tarde a partir del colapso de una nube gigante de gas, casi con certeza nació grande, y puede estar en las primeras etapas de construir una galaxia a su alrededor.

El equipo piensa que los Puntos Rojos Pequeños como QSO1 no pueden haber sido raros en el universo temprano, y está en proceso de analizar objetos similares para descubrir si los agujeros negros supermasivos realmente preceden a las galaxias donde actualmente residen.

El telescopio espacial James Webb es el observatorio de ciencia espacial premier del mundo, según la NASA. Webb está resolviendo misterios en nuestro sistema solar, mirando más allá hacia mundos distantes alrededor de otras estrellas, y sondeando las estructuras misteriosas y los orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional liderado por la NASA con sus socios, la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Canadiense.