Webb revela el agujero negro que se formó antes que su galaxia
La primera medición directa de la masa del universo primitivo aporta información al debate sobre los orígenes de los agujeros negros supermasivos.
Utilizando la capacidad de imagen y espectroscopia sin precedentes del Telescopio Espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA, los investigadores han cartografiado el movimiento y la composición del gas que orbita un agujero negro en el centro de Abell2744-QSO1, una pequeña galaxia situada a más de 13.000 millones de años luz de distancia. Los resultados sugieren que el agujero negro, con una masa de 50 millones de masas solares, es anterior a su galaxia anfitriona, posiblemente formándose en el primer segundo del Big Bang, y que debió ser inmenso desde sus inicios.
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| Esta es una imagen de NIRCam (Cámara de Infrarrojo Cercano) en Webb que muestra Abell2744-QSO1, ampliada y capturada por triple imagen por el cúmulo de galaxias Abell 2744 . Abell2744-QSO1 (QSO1) es un prototipo de Pequeño Punto Rojo , uno de los primeros de los cientos de diminutos puntos brillantes de luz infrarroja que el telescopio Webb ha descubierto salpicando el Universo primitivo. QSO1 tiene aproximadamente 1300 años luz de diámetro y, con un corrimiento al rojo cosmológico (z) de 7, su luz se remonta a tan solo 700 millones de años después del Big Bang, cuando el Universo tenía solo el 5% de su edad actual. QSO1 es ideal para su estudio porque sufre un efecto de lente gravitacional , siendo magnificado y triplemente captado por Abell 2744, el megacúmulo de galaxias intermedio que deforma el espacio-tiempo circundante. Un estudio detallado de la más brillante de las tres imágenes captadas por la lente gravitacional, QSO1A (arriba a la derecha), muestra que el objeto consiste en un agujero negro supermasivo central con una masa 50 millones de veces mayor que la del Sol, rodeado por una nube de hidrógeno y helio con cantidades muy pequeñas de elementos más pesados como el oxígeno. A diferencia de los agujeros negros supermasivos en galaxias cercanas, que constituyen solo una pequeña fracción de la masa total de su galaxia anfitriona, el agujero negro de QSO1 contiene el doble de masa que el material galáctico que lo rodea. [ Descripción de la imagen : Imagen que muestra cientos de objetos brillantes de diferentes tamaños, colores y formas sobre el fondo negro del espacio. Los colores varían del blanco al rojo intenso. Las formas incluyen elípticas, espirales, puntiformes, discontinuas y arqueadas. Tres objetos en la parte central de la imagen están señalados con pequeños recuadros blancos que contienen imágenes de los tres objetos. De arriba abajo, están etiquetados como QSO1A, QSO1B y QSO1C. En el centro de cada recuadro hay un pequeño punto rojo circular. QSO1A (arriba) es notablemente más grande, brillante y nítido que los otros dos. QSO1B, en el medio, es el más pequeño y borroso, y está algo difuminado por la luz de un objeto blanco más grande que se encuentra a su lado.] Crédito: NASA, ESA, CSA, L. Furtak (Universidad Ben-Gurion), R. Maiolino (Cambridge), F. D'Eugenio (Cambridge), I. Juodžbalis (Cambridge), H. Übler (MPE), C. Marconcini (Universidad de Florencia). Procesamiento de imágenes: A. Pagan |
¿Qué surgió primero, la galaxia o el agujero negro? Los científicos han creído durante mucho tiempo que podría ser la galaxia: las estrellas grandes dentro de una galaxia existente consumen su combustible y colapsan para formar agujeros negros, que pueden engullir el material circundante y fusionarse con el tiempo para formar entidades más masivas. Pero es difícil comprender cómo los agujeros negros con una masa millones o miles de millones de veces mayor que la del Sol, miles de los cuales ya se han detectado en el universo primitivo, pudieron crecer tan rápidamente a partir de semillas tan pequeñas.
Ahora, los investigadores que utilizan el telescopio Webb han detectado pruebas claras de que algunos agujeros negros supermasivos fueron enormes desde el principio, formándose sin una fase de colapso estelar y sin una galaxia anfitriona significativamente más masiva que los alimentara.
«Este es un hallazgo extraordinario», declaró Roberto Maiolino, de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, coautor de los estudios publicados hoy en Nature y en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . « Representa un cambio de paradigma, una revisión total de los escenarios clásicos sobre cómo se forman y crecen los agujeros negros » .
QSO1 de Little Red Dot
La conclusión del equipo se basa en observaciones detalladas de Abell2744-QSO1 (QSO1), un prototipo de Pequeño Punto Rojo que existió tan solo 700 millones de años después del Big Bang.
Aunque QSO1 tiene solo 1300 años luz de diámetro y su luz ha viajado durante más de 13 mil millones de años, es más fácil de estudiar que la mayoría de los demás puntos rojos celestes porque la lente gravitacional del cúmulo de galaxias Abell 2744 (el Cúmulo de Pandora) lo afecta. QSO1 se magnifica y se observa en tres ubicaciones diferentes del cielo.
Los estudios iniciales de QSO1 revelaron pruebas convincentes de que podría ser poco más que una nube de hidrógeno y helio incandescentes orbitando un agujero negro supermasivo con una masa estimada de 40 millones de veces la del Sol. Pero, al igual que con otros agujeros negros primitivos descubiertos por Webb, existía incertidumbre sobre si realmente era tan masivo.
“Hasta ahora, todas las mediciones de masa de los agujeros negros en el universo primitivo habían sido indirectas, basadas en suposiciones a partir de lo que sabemos sobre ellos en el universo local. No sabíamos si esas suposiciones realmente se aplicaban al universo distante”, dijo el coautor Francesco D'Eugenio, también de la Universidad de Cambridge.
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| Un detalle de la imagen captada por la NIRCam del telescopio Webb muestra el Pequeño Punto Rojo Abell2744-QSO1, afectado por la lente gravitacional de Abell 2744 , un enorme megacúmulo de galaxias también conocido como el Cúmulo de Pandora. A la derecha se muestra un mapa que indica la velocidad de rotación del gas en diferentes partes de QSO1, tanto al acercarse como al alejarse del telescopio. Este mapa se elaboró con datos recopilados mediante la unidad de campo integral (IFU) del NIRSpec , una combinación de cámara y espectrógrafo. La IFU captura una imagen junto con 900 espectros de una porción cuadrada del cielo de 3 segundos de arco por 3 segundos de arco, creando mapas que muestran las diferencias de brillo de miles de longitudes de onda entre 0,6 y 5,3 micras en todo el objeto. La velocidad del gas se calcula en función del efecto Doppler: los colores se desplazan ligeramente hacia longitudes de onda más cortas (azules) donde el material se acerca y hacia longitudes de onda más largas (rojas) donde se aleja. Los datos del telescopio Webb muestran que el gas brillante tiene rotación kepleriana: orbita alrededor de un punto central de la misma manera que los planetas orbitan alrededor de una estrella. Esto significa que la mayor parte de la masa de QSO1 debe residir en un único punto en el centro, es decir, un agujero negro. Dado que la velocidad del gas en órbita sigue leyes de gravedad muy simples, los datos pueden usarse para calcular la masa del agujero negro: parece ser de 50 millones de masas solares, o 50 millones de veces la masa de nuestro Sol. Esto representa aproximadamente dos tercios de la masa total de QSO1. [ Descripción de la imagen : Izquierda: Imagen del telescopio espacial que muestra un pequeño objeto circular rojo delineado con un cuadrado blanco. La barra de escala en la esquina inferior izquierda, etiquetada como 1 segundo de arco, indica que la imagen tiene aproximadamente 4 segundos de arco de ancho y el objeto aproximadamente 0,4 segundos de arco de ancho. Derecha: Vista ampliada del Pequeño Punto Rojo superpuesta con una matriz de píxeles en forma de mancuerna que varía de color azul a naranja. La mancuerna es vertical y los píxeles están orientados a 45 grados. Debajo de los píxeles hay una barra de escala azul a naranja que muestra que el color de cada píxel está relacionado con la velocidad del gas en kilómetros por segundo. El lado izquierdo de la barra de escala varía de azul (etiquetado como 20) a gris (etiquetado como 0). La flecha azul que apunta a la izquierda de 0 a 20 debajo del lado izquierdo (azul) de la barra de escala está etiquetada como "hacia". La flecha naranja que apunta a la derecha de 0 a 20 debajo del lado derecho (naranja) está etiquetada como "alejándose". Los píxeles en la mitad inferior de la mancuerna son de color azul a gris.] Crédito: NASA, ESA, CSA, L. Furtak (Universidad Ben-Gurion), R. Maiolino (Cambridge), F. D'Eugenio (Cambridge), I. Juodžbalis (Cambridge), H. Übler (MPE), C. Marconcini (Universidad de Florencia). Procesamiento de imágenes: A. Pagan |
Mapeo de la composición y velocidad del gas
El equipo reconoció que si el agujero negro de QSO1 es tan masivo como parece, deberían poder utilizar la unidad de campo integral (IFU) del espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) del telescopio Webb para rastrear los efectos de su gravedad en el gas que gira a su alrededor, al tiempo que mapean la distribución de varios elementos en el gas.
Ignas Juodžbalis, estudiante de posgrado de Cambridge, y Cosimo Marconcini, de la Universidad de Florencia (Italia), autores principales de uno de los estudios, utilizaron las observaciones del IFU para mapear los movimientos del gas de hidrógeno que rodea el agujero negro. Al representar gráficamente la velocidad de rotación en función de la distancia al centro, descubrieron que el gas tiene un movimiento kepleriano: orbita alrededor de un punto central de la misma manera que los planetas de nuestro Sistema Solar orbitan alrededor del Sol.
“Esto es importante porque nos indica que la mayor parte de la masa de QSO1 está concentrada en el agujero negro del centro ”, dijo Juodžbalis“. Si la masa estuviera más distribuida, como ocurriría si hubiera muchas estrellas, el gas no tendría esta rotación kepleriana perfecta”.
Dado que el movimiento kepleriano se rige por leyes gravitacionales simples, el equipo pudo utilizar las mediciones de velocidad del gas para calcular directamente la masa del agujero negro, una hazaña sin precedentes. Descubrieron que el agujero negro no solo es inmenso —con una masa aproximada de 50 millones de masas solares—, sino que además constituye dos tercios de la masa total de QSO1. Esta proporción es miles de veces mayor que en galaxias cercanas, donde los agujeros negros supermasivos representan solo una pequeña fracción de la masa total de la galaxia anfitriona.
Los mapas de composición obtenidos con el IFU respaldaron estos resultados, demostrando que el gas en todo QSO1 está compuesto casi en su totalidad por hidrógeno y helio, con muy pocos elementos más pesados como el oxígeno, que cabría esperar en una galaxia rica en estrellas y restos 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 la masa de un agujero negro dentro de los primeros mil millones de años después del Big Bang, y es consistente con las mediciones anteriores ». El equipo cree que esto es una buena señal de que las suposiciones utilizadas para las mediciones indirectas de masa son válidas y que las masas de otros agujeros negros en el universo primitivo no se han sobreestimado.
Orígenes de los agujeros negros supermasivos
La enorme masa de QSO1 en relación con su galaxia anfitriona sugiere que no pudo haberse formado gradualmente a partir de la fusión y alimentación de agujeros negros mucho más pequeños, de masa estelar. « Parece que hemos encontrado un agujero negro que no tiene una galaxia anfitriona sustancial y que es anterior a los procesos estelares », dijo Juodžbalis. « Esto es muy emocionante porque es evidencia de agujeros negros primordiales o agujeros negros de colapso directo, que se habían teorizado pero no se habían confirmado».
Ya sea que el agujero negro de QSO1 evolucionara a partir de una "semilla pesada" que se formó en el primer segundo del Big Bang o algo más tarde a partir del colapso de una gigantesca nube de gas, es casi seguro que nació grande y que puede estar en las primeras etapas de la formación de una galaxia a su alrededor.
El equipo cree que los pequeños puntos rojos como QSO1 no pudieron haber sido raros en el universo primitivo, y está analizando objetos similares para averiguar si los agujeros negros supermasivos realmente son anteriores a las galaxias donde residen actualmente.
Más información
El telescopio Webb es el más grande y potente jamás lanzado al espacio. En virtud de un acuerdo de colaboración internacional, la ESA proporcionó el servicio de lanzamiento del telescopio, utilizando el cohete Ariane 5. En colaboración con sus socios, la ESA fue responsable del desarrollo y la cualificación de las adaptaciones del Ariane 5 para la misión Webb, así como de la contratación del servicio de lanzamiento por parte de Arianespace. La ESA también proporcionó el espectrógrafo NIRSpec, el instrumento principal, y el 50 % del instrumento de infrarrojo medio MIRI, diseñado y construido por un consorcio de institutos europeos financiados por los Estados Unidos (el Consorcio Europeo MIRI) en colaboración con el JPL y la Universidad de Arizona.
Webb es una colaboración internacional entre la NASA, la ESA y la Agencia Espacial Canadiense (CSA).
Crédito de imagen: NASA, ESA, CSA, L. Furtak (Universidad Ben-Gurion), R. Maiolino (Cambridge), F. D'Eugenio (Cambridge), I. Juodžbalis (Cambridge), H. Übler (MPE), C. Marconcini (Universidad de Florencia). Procesamiento de imágenes: A. Pagan
Enlaces de interés
Contactos
Bethany Downer,
Directora de Comunicación Científica de la ESA/Hubble.
Correo electrónico: Bethany.Downer@esahubble.org
Sala de prensa y oficina de relaciones con los medios de comunicación de la ESA
Correo electrónico: media@esa.int
Christine Pulliam,
Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial.
Correo electrónico: cpulliam@stsci.edu
Publicado en ESA/Webb el 27 de mayo del 2026, enlace publicación.
