Los agujeros negros supermasivos (SMBH, por sus siglas en inglés) son uno de los objetos más misteriosos y fascinantes del universo. Estos colosos, con masas millones de veces mayores que la del Sol, se encuentran en el corazón de muchas galaxias, incluida nuestra Vía Láctea. A pesar de su ubicuidad en el universo actual, su origen y crecimiento en las primeras etapas del cosmos ha desconcertado a los astrónomos durante décadas. Sin embargo, recientes descubrimientos, impulsados por telescopios avanzados como el Hubble y el James Webb (JWST), están comenzando a arrojar luz sobre cómo estos titanes cósmicos se formaron y evolucionaron poco después del Big Bang.
Los primeros agujeros negros: más numerosos de lo esperado
El Telescopio Espacial Hubble, en una reciente campaña de observación, ha revelado algo sorprendente: en el universo temprano hubo más agujeros negros supermasivos de los que se pensaba. Estos descubrimientos, que han sido posibles gracias a observaciones profundas en el infrarrojo, sugieren que los SMBH estaban ya presentes en abundancia cuando el universo tenía menos de mil millones de años.
Este hallazgo se logró mediante un enfoque novedoso: la detección de variabilidad fotométrica. A medida que los agujeros negros supermasivos acumulan materia, producen ráfagas de radiación que pueden detectarse como cambios en el brillo de las galaxias que los albergan. Este método ha permitido identificar varios candidatos a agujeros negros en galaxias del universo temprano, situadas a más de 13 mil millones de años luz de la Tierra.
Una búsqueda impulsada por el Hubble y el JWST
El estudio, publicado por el equipo de Matthew J. Hayes y colaboradores, se basa en un análisis exhaustivo del campo ultra-profundo del Hubble (HUDF, por sus siglas en inglés), una de las zonas más estudiadas del cielo. Las imágenes iniciales del HUDF fueron tomadas hace más de una década, y al compararlas con observaciones recientes, los científicos pudieron identificar pequeños cambios en el brillo de algunas galaxias. Estos cambios son indicativos de la presencia de agujeros negros activos, es decir, aquellos que están consumiendo material y generando radiación en el proceso.
Este enfoque complementa los métodos tradicionales de detección de SMBH, como la observación de la emisión de rayos X o la detección de líneas espectrales de alta ionización, y permite identificar agujeros negros que podrían haber pasado desapercibidos . El equipo de Hayes encontró ocho objetos variables en total, de los cuales tres podrían ser agujeros negros supermasivos en etapas muy tempranas del universo.
La abundancia inesperada de agujeros negros supermasivos
Uno de los resultados más impactantes del estudio es la abundancia de agujeros negros supermasivos en el universo temprano. Tradicionalmente, se pensaba que estos objetos eran relativamente raros en las primeras etapas del cosmos. Sin embargo, el equipo de Hayes estimó que la densidad de estos SMBH en el universo es muy superior a la estimada originalmente. Esta densidad es comparable a la de los agujeros negros supermasivos en el universo local, lo que plantea importantes preguntas sobre cómo estos objetos pudieron crecer tan rápidamente en un periodo de tiempo tan corto.
Los teóricos han propuesto varias formas en las que los SMBH podrían haberse formado en el universo temprano. Una de las teorías más discutidas sugiere que algunos de estos agujeros negros podrían haber comenzado como "semillas" masivas, formadas por el colapso directo de enormes nubes de gas. Sin embargo, el número tan elevado de SMBH encontrados sugiere que debe haber mecanismos adicionales en juego, quizás relacionados con la fusión de agujeros negros más pequeños o la rápida acumulación de materia en las primeras galaxias.
"Muchos de estos objetos parecen ser más masivos de lo que originalmente pensábamos que podían ser en momentos tan tempranos: o bien se formaron muy masivos o bien crecieron extremadamente rápido", afirma Alice Young, estudiante de doctorado de la Universidad de Estocolmo y coautora del estudio.
Las efectos en la formación de galaxias
La presencia de agujeros negros supermasivos en las primeras galaxias no solo afecta nuestra comprensión de cómo estos objetos se formaron, sino también de cómo influyeron en la evolución de las galaxias que los rodeaban. Los agujeros negros activos, también conocidos como núcleos galácticos activos (AGN, por sus siglas en inglés), emiten enormes cantidades de energía que pueden calentar el gas circundante y, en algunos casos, expulsarlo de la galaxia. Este proceso, conocido como retroalimentación, es crucial para regular la formación estelar y puede frenar el crecimiento de la galaxia.
De hecho, el estudio de Hayes encontró que varios de los SMBH detectados estaban en galaxias relativamente pequeñas y tenues, lo que sugiere que estas primeras galaxias ya estaban bajo la influencia de estos agujeros negros masivos. Este hallazgo refuerza la idea de que los SMBH jugaron un papel fundamental en la evolución temprana de las galaxias .
El futuro de la búsqueda de agujeros negros en el universo temprano
El éxito de este estudio pone de relieve el poder de la combinación de telescopios espaciales como el Hubble y el James Webb para estudiar el universo temprano. Mientras que el Hubble ha sido crucial para proporcionar una línea base temporal a través de imágenes tomadas a lo largo de más de una década, el JWST, con su capacidad para observar en longitudes de onda más largas y con mayor sensibilidad, será fundamental para confirmar y caracterizar estos agujeros negros .
En el futuro, se espera que el JWST y otros telescopios de próxima generación como el Telescopio Extremadamente Grande (ELT, por sus siglas en inglés) puedan no solo encontrar más SMBH en el universo temprano, sino también estudiar sus propiedades con mayor detalle. Esto podría ayudarnos a responder preguntas clave sobre cómo estos objetos crecieron tan rápidamente y cómo afectaron la evolución del cosmos.
¿Cuál es la importancia de identificar los agujeros negros supermasivos más jóvenes?
Identificar los agujeros negros supermasivos (SMBH) más jóvenes es clave para desentrañar algunos de los misterios más profundos del universo. Estos descubrimientos permiten probar teorías sobre cómo se formaron los SMBH en el universo temprano, lo cual ofrece pistas sobre los mecanismos de "siembra" que dieron origen a estos colosos a partir de las primeras estructuras cósmicas. Además, dado que los SMBH están profundamente ligados a la evolución de las galaxias, su estudio revela cómo el crecimiento de estos agujeros negros influye en las galaxias que los albergan, arrojando luz sobre la relación entre la formación de agujeros negros y la evolución galáctica.
Por otro lado, la detección de SMBH en el universo temprano ayuda a estimar su densidad en estas épocas, lo que permite comparar su abundancia con la del universo actual y evaluar la validez de los modelos de formación de agujeros negros. Estos estudios también tienen implicaciones importantes para la cosmología, ya que los SMBH influyen en la dinámica del universo y en la formación de estructuras a gran escala, contribuyendo así a un mejor entendimiento de la historia y evolución del cosmos.
Referencias
- Hayes, M. J., Tan, J. C., Ellis, R. S., Young, A. R., Cammelli, V., Singh, J., ... & Melinder, J. (2024). Glimmers in the Cosmic Dawn: A Census of the Youngest Supermassive Black Holes by Photometric Variability. The Astrophysical Journal Letters, 971(L16), 1-10. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ad63a7
- NASA. (2023, agosto 23). NASA’s Hubble Finds More Black Holes Than Expected in the Early Universe.
- European Space Agency/Hubble. (2024, August 6). NASA/ESA Hubble finds more supermassive black holes than expected in the early universe.
