Los astrónomos han descubierto el agujero negro más distante jamás visto en rayos X, utilizando telescopios de la NASA. El agujero negro se encuentra en una etapa temprana de crecimiento que nunca antes se había presenciado, donde su masa es similar a la de su galaxia anfitriona. Este resultado puede explicar cómo se formaron algunos de los primeros agujeros negros supermasivos del universo.

Combinando datos del Observatorio de Rayos X Chandra y el Telescopio Espacial James Webb de la NASA, un equipo de investigadores pudo encontrar la firma reveladora de un agujero negro en crecimiento sólo 470 millones de años después del Big Bang.

"Necesitábamos a Webb para encontrar esta galaxia notablemente distante y a Chandra para encontrar su agujero negro supermasivo", dijo Akos Bogdan del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian (CfA), que dirige un nuevo artículo en la revista Nature Astronomy que describe estos resultados. "También aprovechamos una lupa cósmica que aumentó la cantidad de luz que detectamos". Este efecto de aumento se conoce como lente gravitacional.

Bogdan y su equipo encontraron el agujero negro en una galaxia llamada UHZ1 en dirección al cúmulo de galaxias Abell 2744, ubicado a 3.500 millones de años luz de la Tierra. Los datos de Webb, sin embargo, han revelado que la galaxia está mucho más distante que el cúmulo, a 13.200 millones de años luz de la Tierra, cuando el universo tenía sólo el 3% de su edad actual.

Tras más de dos semanas de observaciones con el Chandra se mostró la presencia de gas intenso y sobrecalentado que emite rayos X en esta galaxia, una marca registrada de un agujero negro supermasivo en crecimiento. La luz de la galaxia y los rayos X del gas alrededor de su agujero negro supermasivo se magnifican aproximadamente en un factor de cuatro al intervenir materia en Abell 2744 (debido a lentes gravitacionales), mejorando la señal infrarroja detectada por Webb y permitiendo al Chandra detectar la débil fuente de rayos X.

Este descubrimiento es importante para comprender cómo algunos agujeros negros supermasivos pueden alcanzar masas colosales poco después del Big Bang. ¿Se forman directamente a partir del colapso de enormes nubes de gas, creando agujeros negros que pesan entre 10.000 y 100.000 soles? ¿O provienen de explosiones de las primeras estrellas que crean agujeros negros que pesan sólo entre 10 y 100 soles?

“Existen límites físicos sobre la rapidez con la que los agujeros negros pueden crecer una vez que se han formado, pero los que nacen con mayor masa tienen una ventaja. Es como plantar un árbol joven, que tarda menos en crecer hasta convertirse en un árbol de tamaño completo que si se empieza sólo con una semilla”, dijo Andy Goulding de la Universidad de Princeton. Goulding es coautor del artículo de Nature Astronomy y autor principal de un nuevo artículo en The Astrophysical Journal Letters que informa la distancia y la masa de la galaxia utilizando un espectro de Webb.

El equipo de Bogdan ha encontrado pruebas contundentes de que el agujero negro recién descubierto nació masivo. Se estima que su masa está entre 10 y 100 millones de soles, según el brillo y la energía de los rayos X. Este rango de masa es similar al de todas las estrellas de la galaxia donde vive, lo que contrasta marcadamente con los agujeros negros en los centros de las galaxias del universo cercano, que normalmente contienen sólo alrededor de una décima parte de la masa de sus estrellas de la galaxia anfitriona.

La gran masa del agujero negro a una edad temprana, más la cantidad de rayos X que produce y el brillo de la galaxia detectado por Webb, concuerdan con las predicciones teóricas de 2017 del coautor Priyamvada Natarajan de la Universidad de Yale para un “ Agujero negro de gran tamaño” que se formó directamente a partir del colapso de una enorme nube de gas.

"Creemos que esta es la primera detección de un 'agujero negro de gran tamaño' y la mejor evidencia obtenida hasta ahora de que algunos agujeros negros se forman a partir de enormes nubes de gas", dijo Natarajan. "Por primera vez estamos viendo una breve etapa en la que un agujero negro supermasivo pesa aproximadamente tanto como las estrellas de su galaxia, antes de quedarse atrás".

Los investigadores planean utilizar este y otros resultados provenientes de Webb y aquellos que combinan datos de otros telescopios para completar una imagen más amplia del universo temprano.

El Telescopio Espacial Hubble de la NASA demostró anteriormente que la luz de galaxias distantes es altamente magnificada por la materia en el cúmulo de galaxias intermedio, lo que proporciona parte de la motivación para las observaciones de Webb y Chandra que se describen aquí.