Webb detecta el agujero negro supermasivo activo más distante hasta la fecha

Los investigadores han descubierto el agujero negro supermasivo activo más distante hasta la fecha con el telescopio espacial James Webb. La galaxia, CEERS 1019, existió poco más de 570 millones de años después del Big Bang, y su agujero negro es menos masivo que cualquier otro identificado hasta ahora en el universo primitivo. No solo eso, fácilmente "sacudieron" dos agujeros negros más que también están en el lado más pequeño, y existieron entre 1 y 1.100 millones de años después del Big Bang. Webb también identificó once galaxias que existían cuando el universo tenía entre 470 y 675 millones de años. La evidencia fue proporcionada por la Encuesta Científica de Liberación Temprana de la Evolución Cósmica (CEERS) de Webb, dirigida por Steven Finkelstein de la Universidad de Texas en Austin. El programa combina imágenes altamente detalladas de infrarrojo cercano y medio de Webb y datos conocidos como espectros, todos los cuales se utilizaron para hacer estos descubrimientos.

Mira profundamente este vasto paisaje. Se unió a partir de múltiples imágenes capturadas por el Telescopio Espacial James Webb en luz infrarroja cercana, y prácticamente palpita con actividad. A la derecha del centro hay un grupo de galaxias espirales de color blanco brillante que parecen retorcerse entre sí. A lo largo de la escena hay espirales de color rosa claro que parecen molinetes girando en el viento. Las brillantes estrellas de primer plano, destacadas en azul, se anuncian con los picos de difracción de ocho puntas prominentes de Webb. No se pierda una vista poco convencional: en la fila inferior, busque el segundo cuadrado desde el extremo derecho. En su borde derecho, una galaxia azul deforme está equipada con cúmulos de estrellas brillantes de color azul y rosa. Hay tantos detalles para explorar en esta vista panorámica, conocida como la Encuesta Científica de Liberación Temprana de la Evolución Cósmica (CEERS). Las galaxias que primero llamaron la atención de los investigadores son aquellas que no han aparecido en ninguna otra imagen: Webb fue el primero en revelar su presencia. Para encontrarlos, busque los puntos más pequeños y rojos moteados a lo largo de esta encuesta. La luz de algunos de ellos ha viajado durante más de 13 mil millones de años para llegar al telescopio. El equipo siguió para obtener espectros con Webb, lo que condujo al descubrimiento del agujero negro supermasivo activo más distante conocido actualmente, junto con otros dos agujeros negros supermasivos activos extremadamente distantes que existían cuando el universo tenía solo 1.000 millones de años. Los estudios adicionales también confirmaron que existían once galaxias cuando el universo tenía solo entre 470 y 675 millones de años. (Lea acerca de siete de estas galaxias extremadamente distantes). ¿Quieres ser cautivado de nuevo? Webb pasó menos de una hora capturando cada imagen en este campo. Combinados, muestran unas 100.000 galaxias. La Encuesta CEERS ya ha demostrado a los investigadores que Webb nos ayudará a aprender mucho sobre el universo primitivo. "Las galaxias aparecen antes y en mayor número que cualquiera de nuestras predicciones estimadas", dijo el líder del programa, Steven Finkelstein, de la Universidad de Texas en Austin. “Hay tantos misterios nuevos por explorar”. Este campo es una de las primeras observaciones de Webb, por lo que todavía sabemos tan poco sobre él. Lea más sobre lo que los investigadores seguirán buscando en las imágenes y datos de CEERS. Créditos Imagen NASA, ESA, CSA, Steve Finkelstein (UT Austin), Micaela Bagley (UT Austin), Rebecca Larson (UT Austin)

CEERS 1019 no solo es notable por cuánto tiempo existió, sino también por lo relativamente poco que pesa su agujero negro. Este agujero negro registra alrededor de 9 millones de masas solares, mucho menos que otros agujeros negros que también existieron en el universo primitivo y que fueron detectados por otros telescopios. Esos gigantes suelen contener más de mil millones de veces la masa del Sol, y son más fáciles de detectar porque son mucho más brillantes. (Están "comiendo" activamente materia, que se ilumina a medida que gira hacia el agujero negro). El agujero negro dentro de CEERS 1019 es más similar al agujero negro en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, que tiene 4,6 millones de veces la masa. del sol. Este agujero negro tampoco es tan brillante como los gigantes más masivos detectados anteriormente. Aunque más pequeño, este agujero negro existió mucho antes lo que  hace todavía más difícil explicar cómo se formó tan poco tiempo después de que comenzara el universo. Los investigadores saben desde hace mucho tiempo que los agujeros negros más pequeños deben haber existido antes en el universo, pero no fue hasta que Webb comenzó a observar que pudieron hacer detecciones definitivas. (Es posible que CEERS 1019 solo mantenga este récord durante unas pocas semanas: la comunidad astronómica está revisando cuidadosamente las afirmaciones sobre otros agujeros negros más distantes identificados por Webb).

Los datos de Webb están prácticamente repletos de información precisa que hace que estas confirmaciones sean tan fáciles de extraer de los datos. “Mirar este objeto distante con este telescopio es muy parecido a mirar datos de agujeros negros que existen en galaxias cercanas a la nuestra”, dijo Rebecca Larson de la Universidad de Texas en Austin, quien dirigió este descubrimiento. "¡Hay tantas líneas espectrales para analizar!" El equipo no solo pudo desentrañar qué emisiones en el espectro provienen del agujero negro y cuáles son de su galaxia anfitriona, sino que también podrían determinar cuánto gas está ingiriendo el agujero negro y determinar la tasa de formación estelar de su galaxia.

El equipo descubrió que esta galaxia está ingiriendo tanto gas como puede mientras produce nuevas estrellas. Recurrieron a las imágenes para explorar por qué podría ser eso. Visualmente, CEERS 1019 aparece como tres grupos brillantes, no como un solo disco circular. “No estamos acostumbrados a ver tanta estructura en las imágenes a estas distancias”, dijo Jeyhan Kartaltepe, miembro del equipo de CEERS, del Instituto de Tecnología de Rochester en Nueva York. "Una fusión de galaxias podría ser en parte responsable de impulsar la actividad en el agujero negro de esta galaxia, y eso también podría conducir a una mayor formación de estrellas".

Más agujeros negros extremadamente distantes, las galaxias entran en escena

La Encuesta CEERS es expansiva y hay mucho más por explorar. El miembro del equipo Dale Kocevski de Colby College en Waterville, Maine, y el equipo detectaron rápidamente otro par de pequeños agujeros negros en los datos. El primero, dentro de la galaxia CEERS 2782, fue el más fácil de identificar. No hay polvo que oscurezca la vista de Webb, por lo que los investigadores pudieron determinar de inmediato cuándo existió su agujero negro en la historia del universo, solo 1.100 millones de años después del Big Bang. El segundo agujero negro, en la galaxia CEERS 746, existió un poco antes, mil millones de años después del Big Bang. Su brillante disco de acreción, un anillo compuesto de gas y polvo que rodea su agujero negro supermasivo, todavía está parcialmente nublado por el polvo. “El agujero negro central es visible, pero la presencia de polvo sugiere que podría estar dentro de una galaxia que también está bombeando estrellas con furia”, explicó Kocevski.

Al igual que el de CEERS 1019, estos dos agujeros negros también son "pesos ligeros", al menos en comparación con los agujeros negros supermasivos conocidos anteriormente a estas distancias. Son sólo alrededor de 10 millones de veces la masa del Sol. “Los investigadores saben desde hace mucho tiempo que debe haber agujeros negros de menor masa en el universo primitivo. Webb es el primer observatorio que puede capturarlos con tanta claridad”, agregó Kocevski. “Ahora pensamos que los agujeros negros de menor masa podrían estar por todas partes, esperando ser descubiertos”. Antes de Webb, los tres agujeros negros eran demasiado débiles para ser detectados. “Con otros telescopios, estos objetivos parecen galaxias ordinarias en formación de estrellas, no agujeros negros supermasivos activos”, agregó Finkelstein.

Este gráfico muestra las detecciones de los agujeros negros supermasivos activos más distantes conocidos actualmente en el universo. Fueron identificados por una serie de telescopios, tanto en el espacio como en tierra. Tres fueron identificados recientemente en la Encuesta Científica de Liberación Temprana de la Evolución Cósmica (CEERS) del Telescopio Espacial James Webb. El agujero negro más distante es CEERS 1019, que existió poco más de 570 millones de años después del Big Bang. CEERS 746 se detectó mil millones de años después del Big Bang. El tercer lugar actualmente lo ocupa CEERS 2782, que existió 1.100 millones de años después del Big Bang. Saber que existieron es importante, pero una comprensión más completa de sus composiciones puede llevarnos a revisar lo que sabemos sobre los agujeros negros que existían cuando el universo era muy joven. Los nuevos agujeros negros de CEERS son mucho más pequeños que cualquier otro que hayan detectado los investigadores. CEERS 1019 pesa solo 9 millones de masas solares. Tanto CEERS 746 como CEERS 2782 son un poco más grandes, con un peso de 10 millones de veces la masa del Sol. Los tres son más similares a la masa del agujero negro en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, que tiene solo 4,6 millones de veces la masa del Sol, que a otros gigantes distantes en el universo primitivo que conocíamos anteriormente, que tienden a pesar más de mil millones de veces la masa del Sol. Los "pesos ligeros" de CEERS pueden ayudar a remodelar por completo lo que entendemos sobre cómo se formaron y crecieron los agujeros negros supermasivos durante los primeros mil millones de años del universo. Esto es fundamental porque el universo se sumió en una densa "niebla" durante este período, conocido como la Era de la Reionización. ¿Cómo se formaron estos agujeros negros en primer lugar? Después de que se formaron, ¿ayudaron estos agujeros negros a cargar o ionizar las partículas de gas, lo que generó condiciones más transparentes alrededor de sus galaxias anfitrionas? Los investigadores ciertamente necesitan identificar y clasificar muchos más agujeros negros extremadamente distantes para comenzar a responder estas grandes preguntas. Esto podría ser tan solo una docena de fuentes, si todas siguen la misma tendencia, o más de 50. En los próximos años, las imágenes y los datos altamente detallados de Webb ayudarán a los astrónomos a construir muestras cada vez más grandes de las masas de agujeros negros a través del espacio cósmico. tiempo, y comenzar a modelar mejor cómo se desarrollaron durante miles de millones de años. "Cuantos más agujeros negros encontremos, y cuanto antes los encontremos, más fácil será poder imponer restricciones sobre cómo se formaron y evolucionaron durante miles de millones de años", explicó Steven Finkelstein, de la Universidad de Texas en Austin, quien dirige el estudio. Encuesta CEERS. Créditos Ilustración NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)

Los espectros sensibles de Webb también permitieron a estos investigadores medir distancias precisas y, por lo tanto, las edades de las galaxias en el universo primitivo. Los miembros del equipo Pablo Arrabal Haro de NOIRLab de NSF y Seiji Fujimoto de la Universidad de Texas en Austin identificaron 11 galaxias que existieron entre 470 y 675 millones de años después del Big Bang. No solo son extremadamente distantes, sino que es notable el hecho de que se hayan detectado tantas galaxias brillantes. Los investigadores teorizaron que Webb detectaría menos galaxias de las que se encuentran a estas distancias. “Estoy abrumado por la cantidad de espectros altamente detallados de galaxias remotas que Webb devolvió”, dijo Arrabal Haro. “Estos datos son absolutamente increíbles”.

Estas galaxias están formando estrellas rápidamente, pero aún no están tan enriquecidas químicamente como las galaxias que están mucho más cerca de casa. “Webb fue el primero en detectar algunas de estas galaxias”, explicó Fujimoto. “Este conjunto, junto con otras galaxias distantes que podamos identificar en el futuro, podría cambiar nuestra comprensión de la formación de estrellas y la evolución de las galaxias a lo largo de la historia cósmica”, agregó.

Estos son solo los primeros hallazgos innovadores de la encuesta CEERS. “Hasta ahora, la investigación sobre objetos en el universo primitivo era en gran parte teórica”, dijo Finkelstein. “Con Webb, no solo podemos ver agujeros negros y galaxias a distancias extremas, ahora podemos comenzar a medirlos con precisión. Ese es el tremendo poder de este telescopio”. En el futuro, es posible que los datos de Webb también se puedan usar para explicar cómo se formaron los primeros agujeros negros, revisando los modelos de los investigadores sobre cómo crecieron y evolucionaron los agujeros negros en los primeros cientos de millones de años de la historia del universo.

The Astrophysical Journal Letters ha aceptado varios artículos sobre los datos de la encuesta CEERS: "A CEERS Discovery of an Accreting Supermassive Black Hole 570 Myr after the Big Bang: Identification a Progenitor of Massive z > 6 Quasars", dirigido por Larson, "Hidden Little Monstruos: Identificación espectroscópica de AGN de línea ancha y baja masa en z > 5 con CEERS”, dirigido por Kocevski, “Confirmación espectroscópica de galaxias seleccionadas por NIRCam de CEERS en z≃8−10”, dirigido por Arrabal Haro, y “CEERS Confirmación espectroscópica de candidatos a galaxias z ≳ 8 seleccionados por NIRCam con JWST/NIRSpec: caracterización inicial de sus propiedades”, dirigido por Fujimoto.

El telescopio espacial James Webb es el principal observatorio de ciencia espacial del mundo. Webb resolverá misterios en nuestro sistema solar, mirará más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional liderado por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.

Créditos

Contacto con los medios

Claire Blome

Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, Baltimore, Maryland

Cristina Pulliam

Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, Baltimore, Maryland

Ciencia

Steve Finkelstein (U.T. Austin)

Publicado en Webb el 6 de julio del 2023, enlace publicación.