Tres agujeros negros encontrados en una galaxia de 12.500 millones de años

El sistema triple de agujeros negros que nadie esperaba

Hace doce mil millones y quinientos millones de años, una galaxia llamada J0148-4214 aún estaba en su adolescencia. El propio universo tenía apenas unos 1300 millones de años en ese entonces, una criatura comparado con el cosmos de 13 800 millones de años que observamos hoy. Sin embargo, dentro de esa galaxia joven, los astrónomos han encontrado ahora tres agujeros negros supermasivos, dos de ellos destinados a fusionarse en los próximos cientos de millones de años. El descubrimiento, realizado con el telescopio James Webb y publicado por la colaboración BlackTHUNDER en Astronomy & Astrophysics, ofrece a los investigadores la visión más clara hasta la fecha de cómo los agujeros negros lograron crecer tan masivos tan rápido en el universo primitivo.

Lo que vio Webb

El equipo utilizó NIRSpec, el espectrógrafo de infrarrojo cercano de Webb, en su modo de unidad de campo integral —esencialmente, capturando un espectro en cada punto de una porción del cielo— para examinar el corazón de J0148-4214 en un corrimiento al rojo z = 5.02. Lo que emergió fue un sistema triple.

Dos agujeros negros se encuentran cerca del centro de la galaxia, separados por aproximadamente 620 años luz. Sus masas son notablemente desiguales: uno tiene alrededor de 80 millones de masas solares, mientras que el otro ronda las 600 000 masas solares. Un tercer agujero negro, estimado en unas 2 millones de masas solares, se oculta mucho más lejos, a unos 5500 años luz del centro. La masa estelar total de la galaxia es de aproximadamente 1300 millones de masas solares, lo que significa que estos tres agujeros negros juntos representan una fracción significativa de la distribución de masa de la galaxia, una bandera roja para cualquier modelo que asuma que los agujeros negros son meros subproductos de la evolución galáctica en lugar de participantes activos en ella.

Quizás el detalle más sorprendente sea que el agujero negro central más ligero —el de 600 000 masas solares— parece estar acumulando materia a un ritmo más rápido de lo que el límite de Eddington permitiría normalmente. Ese techo teórico, llamado así por el astrofísico Arthur Eddington, marca el punto en el que la presión de radiación del material que cae hacia adentro empuja con suficiente fuerza como para detener un crecimiento ulterior. Traspasarlo sugiere que este agujero negro estaba alimentándose de una manera que la teoría estándar de acreción se esfuerza por explicar, y plantea la cuestión de si los agujeros negros del universo primitivo tenían acceso a fuentes de combustible o geometrías de acreción que los actuales no poseen.

Por qué esto importa para la formación de galaxias

La existencia de agujeros negros supermasivos en z = 5 no es, en sí misma, nada fuera de lo común. Objetos como el cuásar ULAS J1342+0928, que alberga un agujero negro de 800 millones de masas solares en z = 7, ya habían planteado un enigma: ¿qué mecanismo permite que un agujero negro alcance tal enormidad antes de que el universo tenga incluso un mil millones de años? Pero J0148-4214 añade una nueva dimensión. No se trata simplemente de un agujero negro superdotado. Es un sistema en pleno proceso de ensamblaje jerárquico, exactamente el tipo de entorno que los teóricos han sospechado durante mucho tiempo que impulsaba el crecimiento temprano, pero que ha permanecido fuera del alcance observacional hasta ahora.

Roberto Maiolino, de la Universidad de Cambridge, coautor del artículo, lo expresó con claridad: la fusión de estos dos agujeros negros centrales probablemente representa una de las vías mediante las cuales los agujeros negros crecieron rápidamente en el universo primitivo. Übler, autora principal del Instituto Max Planck, hizo eco de esa idea, señalando que el hallazgo demuestra que las interacciones entre agujeros negros procedían con eficiencia cuando el cosmos era joven. Juntas, estas declaraciones indican que la comunidad se está distanciando del viejo marco —en el que los agujeros negros crecían lentamente mediante acreción suave de gas— hacia uno que trata las fusiones como el motor principal del crecimiento temprano.

Quién gana, quién pierde

Los ganadores aquí son los teóricos que han argumentado que las fusiones de agujeros negros desempeñaron un papel dominante en el universo primitivo. Durante años, sus ideas vivieron principalmente en simulaciones. J0148-4214 les brinda un anclaje empírico. También fortalece el caso a favor de los observatorios de ondas gravitacionales de próxima generación. Se espera que los dos agujeros negros centrales de este sistema se fusionen en unos pocos cientos de millones de años, produciendo una señal de ondas gravitacionales que detectores como LISA —la Antena Espacial Interferométrica Láser, programada para su lanzamiento a mediados de la década de 2030— deberían poder captar. Detectar una señal de este tipo proveniente de una fusión en z = 5 sería un hito, permitiéndonos, en efecto, escuchar la colisión de agujeros negros desde el alba cósmica.

Los perdedores, si es que los hay, son los modelos más simples de evolución galáctica que tratan a los agujeros negros supermasivos como finales pasivos de la formación estelar en lugar de impulsores dinámicos de esta. J0148-4214 no encaja con facilidad en esos esquemas. Un agujero negro que consume materia por encima del límite de Eddington en una galaxia cuyas estrellas suman solo 1300 millones de masas solares sugiere un ciclo de retroalimentación mucho más violento e intrincado de lo que los modelos antiguos permitían.

Qué viene después

El próximo paso inmediato son más observaciones. Los datos de NIRSpec pueden revelar la cinemática del gas, los gradientes de metalicidad y las propiedades de los flujos salientes, todos ellos indicadores que ayudan a determinar si los agujeros negros están moldeando activamente su galaxia anfitriona o simplemente coexistiendo con ella. Un seguimiento con ALMA podría mapear el reservorio de gas frío que alimenta el sistema, mientras que el instrumento MIRI del JWST podría sondear el núcleo oculto por el polvo.

En el frente de las ondas gravitacionales, la espera es más larga pero potencialmente más gratificante. Si LISA detecta una señal correspondiente a la fusión de J0148-4214, proporcionaría una medida independiente de las masas de los agujeros negros y de los parámetros orbitales, verificando las estimaciones ópticas y afinando las restricciones sobre las tasas de fusión en el universo primitivo.

La implicación más amplia ya está tomando forma en la literatura. Los investigadores están comenzando a tratar a los sistemas de triple agujero negro no como curiosidades exóticas, sino como una fase común en la historia de ensamblaje de las galaxias masivas. En los entornos densos del universo primitivo, donde las galaxias se fusionaban con frecuencia y el gas fluía hacia adentro de manera eficiente, encontrar múltiples agujeros negros supermasivos en un solo sistema debería haber sido inevitable. Simplemente no teníamos las herramientas para verlo hasta que Webb entró en funcionamiento.

J0148-4214 es la prueba de que las herramientas finalmente son lo suficientemente buenas.