Chandra participa en el descubrimiento de la galaxia Infinity y un posible agujero negro recién nacido

Los científicos han descubierto una galaxia de forma extraña que podría contener el primer agujero negro supermasivo recién nacido jamás detectado. De confirmarse, este resultado implica que los agujeros negros pueden formarse con una rapidez notable, no solo poco después del Big Bang, sino a lo largo del tiempo cósmico.

Estas imágenes de la llamada Galaxia del Infinito muestran rayos X del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA junto con datos infrarrojos del Telescopio Espacial James Webb de la NASA. Los datos del Webb muestran dos anillos de estrellas y gas vistos en la Galaxia del Infinito, que los astrónomos creen que probablemente se formaron a partir de la colisión de dos galaxias. Los centros de estas dos galaxias son las fuentes blanco-naranja en medio de los dos anillos, en la parte inferior izquierda y superior derecha de la galaxia. Los datos de rayos X de Chandra, y los datos de radio del Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) de la NSF, que no se muestran, han descubierto un agujero negro supermasivo en crecimiento en esta galaxia. Dichos agujeros negros se encuentran generalmente en los centros de galaxias masivas, pero los datos de Chandra y VLA pueden mostrar que este no es el caso de la Galaxia del Infinito. Crédito: Rayos X: NASA/CXC/Yale Univ./P. van Dokkum y otros; Infrarrojo: NASA/ESA/CSA/STScI/JWST; Procesamiento de imágenes: NASA/CXC/SAO/N. Wolk; NASA/ESA/CSA/STScI/A. Pagano

Los astrónomos descubrieron una galaxia a la que llaman Galaxia del Infinito tras analizar datos del archivo del Telescopio Espacial James Webb de la NASA. (Le pusieron este apodo porque se asemeja al símbolo horizontal del infinito, con forma de reloj de arena). Compuesta por dos anillos de estrellas y gas, visibles en los datos del Webb, la Galaxia del Infinito probablemente se formó a partir de la colisión de dos galaxias. La galaxia se encuentra a unos ocho mil millones de años luz de la Tierra. 

La inusual apariencia de la Galaxia del Infinito impulsó al equipo a examinarla utilizando datos de rayos X de archivo del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y datos de radio del Very Large Array (VLA) Karl G. Jansky de la NSF. Juntos, estos telescopios descubrieron un agujero negro supermasivo en crecimiento en esta galaxia. 

El descubrimiento del enorme agujero negro es importante porque podría proporcionar a los astrónomos evidencia directa de un agujero negro supermasivo detectado poco después de su formación, lo que sería una novedad. Además, respalda una teoría particular que explica cómo los agujeros negros supermasivos pueden formarse y crecer rápidamente. En este escenario, los agujeros negros supermasivos se crean rápidamente cuando nubes gigantes de gas y polvo colapsan sobre sí mismas. Esta teoría se desarrolló para explicar la existencia de agujeros negros masivos que se formaron tan solo unos cientos de millones de años después del Big Bang. 

La ubicación del agujero negro supermasivo proporcionó una pista crucial sobre su naturaleza inusual. Estos agujeros negros suelen encontrarse en el centro de galaxias masivas, pero los datos de Chandra y VLA podrían mostrar que este no es el caso de la Galaxia del Infinito. Los datos de VLA sugieren que el agujero negro supermasivo no se encuentra en el núcleo de ninguna de las galaxias, sino entre ambas, en una nube de gas. Los datos de Chandra revelan inequívocamente la presencia de un agujero negro en crecimiento cerca del centro de la galaxia.

“Todo es inusual en esta galaxia”, dijo Pieter van Dokkum, de la Universidad de Yale, quien dirigió el estudio. “No solo tiene un aspecto muy extraño, sino que también contiene un agujero negro supermasivo que está acrecentando una gran cantidad de material. La mayor sorpresa fue que el agujero negro no se encontraba dentro de ninguno de los dos núcleos de las galaxias en fusión, sino en el centro. Nos preguntamos: ¿cómo podemos entender esto?”

El agujero negro en la Galaxia del Infinito podría haberse formado en la nube de gas o haber viajado hasta allí desde otro lugar. Otra posibilidad es que se encuentre en el centro de una tercera galaxia mucho más débil. Si el agujero negro viajó hasta allí desde otro lugar o se encuentra en otra galaxia, probablemente tendría una velocidad de movimiento con respecto a nosotros diferente a la de la nube de gas en la Galaxia del Infinito. 

Por lo tanto, para decidir entre las posibles explicaciones de la ubicación del agujero negro, el equipo propuso que los nuevos datos del Webb compararan la velocidad del agujero negro con la del gas. Con base en el análisis preliminar de los nuevos datos, descubrieron que las velocidades son sorprendentemente similares.

El equipo concluyó que el agujero negro supermasivo se formó dentro de la nube de gas y que lo hizo recientemente, en escalas de tiempo cósmicas, tras la colisión de las galaxias unos 50 millones de años antes. Este hallazgo tiene importantes implicaciones para los debates recientes sobre cómo los agujeros negros pueden alcanzar masas inmensas tan rápidamente tras el Big Bang.

Una teoría, la teoría de las "semillas de luz", sostiene que los agujeros negros supermasivos comenzaron como pequeños agujeros negros que se formaron al colapsar estrellas masivas. Con el tiempo, estos agujeros negros "semilla de luz", con una masa de entre diez y cien veces la del Sol, se transformarían en agujeros negros supermasivos. Sin embargo, esta trayectoria de formación probablemente requeriría demasiado tiempo para ensamblar los agujeros negros supermasivos observados por el Webb poco después del Big Bang.

Esto nos lleva a la teoría de las "semillas pesadas", propuesta por el astrofísico de Yale, Priyamvada Natarajan, coautor de este estudio, y otros. Esta teoría sugiere que agujeros negros mucho más grandes, con un peso de entre diez mil y cien mil soles, pueden formarse a partir del colapso directo de grandes nubes de gas. 

“Informamos sobre la primera evidencia de la formación de tales semillas pesadas de colapso directo utilizando el poder combinado de Webb y Chandra para detectar la galaxia UHZ1, en su lugar cuando el universo tenía apenas 470 millones de años”, dijo Natarajan. 

Un problema importante con la formación de un agujero negro a partir de una nube de gas es que estas nubes tienden a formar estrellas al colapsar. Se requieren condiciones especiales para evitar la formación de estrellas, que implican gas con altas densidades y cantidades inusualmente bajas de elementos más pesados que el helio. Natarajan y sus colaboradores han demostrado que estas condiciones probablemente existieron en el universo primitivo, pero no estaba claro si ocurren más recientemente.

“Este agujero negro se habría formado más de cinco mil millones de años después del Big Bang, mucho después de UHZ1”, dijo Natarajan. “Por lo tanto, lo emocionante del descubrimiento de la galaxia Infinity es que sugiere que la naturaleza probablemente crea agujeros negros mediante colapso directo a lo largo del tiempo cósmico”.

El descubrimiento de este agujero negro implica que las condiciones extremas necesarias para formarse agujeros negros poco después del big bang también pueden existir mucho más recientemente.

“En este caso, dos galaxias de disco colisionaron, formando las estructuras de anillos estelares que vemos”, dijo van Dokkum. “Durante la colisión, el gas dentro de estas dos galaxias choca y se comprime. Esta compresión podría ser suficiente para formar un nudo denso que luego colapsó en un agujero negro”.

Van Dokkum y sus colegas enfatizaron que se necesita investigación adicional para confirmar los hallazgos y lo que presagian sobre la formación de agujeros negros.

Un artículo que analiza las observaciones de Webb, Chandra y VLA de la Galaxia del Infinito ha sido aceptado para su publicación en Astrophysical Journal Letters, y una preimpresión está disponible aquí. La lista completa de autores es la siguiente: Pieter van Dokkum (Yale), Gabriel Brammer (Universidad de Copenhague) y Josephine F. W. Baggen, Michael Keim, Priyamvada Natarajan e Imad Pasha, todos de Yale. Un artículo independiente, dirigido por van Dokkum y con los datos más recientes de Webb, se está revisando actualmente en Astrophysical Journal Letters, y la versión presentada está  disponible en línea. 

Publicado en Chaadra el 14 de julio del 2025, enlace publicación.