El universo primitivo tenía muchos agujeros negros.

El Campo Profundo del Hubble y su sucesor, el Campo Ultraprofundo del Hubble, nos han mostrado cuán vasto es nuestro Universo y cuán lleno de galaxias de todas las formas y tamaños.

Se centraron en pequeñas zonas de cielo que parecían vacías y revelaron la presencia de innumerables galaxias.

Ahora, los astrónomos están utilizando el campo ultraprofundo del Hubble e imágenes de seguimiento para revelar la presencia de una gran cantidad de agujeros negros supermasivos en el Universo temprano.

Este es un resultado sorprendente porque, según la teoría, estos objetos masivos no deberían haber sido tan abundantes hace miles de millones de años.

El campo ultraprofundo del Hubble (HUDF) se lanzó en 2004 y requirió casi un millón de segundos de exposición en 400 de las órbitas del telescopio.

A lo largo de los años, la misma región se ha impreso con otras longitudes de onda y se ha actualizado y perfeccionado de otras maneras.

Hubble volvió a tomar imágenes de la región varias veces y los astrónomos compararon las nuevas imágenes con imágenes más antiguas e identificaron más SMBH de los primeros tiempos del Universo.

Los resultados están contenidos en un artículo titulado «Destellos en el amanecer cósmico: un censo de los agujeros negros supermasivos más jóvenes por variabilidad fotométrica», que se publicó en The Astrophysical Journal Letters.

Matthew Hayes, profesor asociado del Departamento de Astronomía de la Universidad de Estocolmo, Suecia, es el autor principal.

Los agujeros negros supermasivos (SMBH) se encuentran en el centro de galaxias masivas como la nuestra. Si bien el agujero en sí no es visible, el material que se introduce en el agujero se recoge en un disco de acreción. A medida que ese material se calienta, emite luz como núcleo galáctico activo (AGN).

Dado que los agujeros negros se alimentan esporádicamente, sólo una parte de ellos eran visibles en el HUDF original. Al volver a crear imágenes del mismo campo en diferentes momentos, el Hubble capturó SMBH adicionales que originalmente no eran visibles.

Nuestra comprensión del Universo antiguo y de cómo éste y sus galaxias evolucionaron depende de varios factores. Uno de ellos es el requisito de tener una idea precisa del número de AGN. El AGN puede ser difícil de detectar y este método supera algunos de los obstáculos.

Los AGN pueden emitir rayos X, radio y otras emisiones, pero no siempre son prominentes. «El desafío para este campo proviene del hecho de que identificar AGN en los regímenes de luminosidad de las galaxias típicas es difícil de observar», escriben los autores.

«Esto lleva a que las SMBH probablemente no se cuenten lo suficiente, y un número potencialmente grande pasa desapercibido entre la población de galaxias aparentemente formadoras de estrellas en z alta».

El método de variabilidad fotométrica de los autores evita esto. Dado que los AGN acumulan material a tasas variables, observar los cambios en la producción de AGN es un mejor método para determinar cuánto hay.

«Aquí sostenemos que la variabilidad fotométrica resultante de los cambios en la tasa de acreción de masa de SMBH puede proporcionar una sonda completamente independiente y complementaria de AGN», escriben Hayes y sus coautores.

«El monitoreo de variabilidad selecciona AGN a partir de datos de imágenes directamente a través de fenómenos relacionados con SMBH, sin ningún sesgo de preselección fotométrica (color, luminosidad, compacidad, etc.)».

El nuevo artículo presenta resultados preliminares e informa del descubrimiento de ocho objetivos interesantes que muestran variabilidad. Tres de las ocho son probablemente supernovas, dos son AGN claras en aproximadamente z = 2–3, y otras tres probablemente son AGN con desplazamientos al rojo superiores a 6.

Estos hallazgos son importantes porque impactan nuestra comprensión de los agujeros negros, cómo se forman y su lugar en la historia del Universo.

Los astrónomos comprenden cómo se forman los agujeros negros de masa estelar. También creen que los agujeros negros supermasivos crecen mucho a través de fusiones con otros agujeros negros. Incluso están avanzando en la búsqueda de agujeros negros intermedios llamados agujeros negros de masa intermedia (IMBH).

Dado que los astrónomos piensan que los SMBH crecen a través de fusiones, debería haber más en el Universo moderno y comparativamente pocos, si es que hay alguno, en el Universo antiguo. Simplemente no hubo tiempo suficiente para que se produjeran suficientes fusiones para crear SMBH. Por eso existen teorías alternativas para explicar los agujeros negros en el Universo temprano.

Los astrónomos teorizan que existió un tipo diferente de estrella en el universo primitivo. Estas estrellas masivas y prístinas sólo pudieron formarse en las condiciones que dominaron el Universo temprano. Podrían haberse derrumbado y convertirse en enormes agujeros negros.

Otra teoría sugiere que enormes nubes de gas en el Universo temprano pueden haber caído directamente en agujeros negros. Otra teoría sugiere que los llamados ‘agujeros negros primordiales’ podrían haberse formado en los primeros segundos después del Big Bang mediante mecanismos puramente especulativos.

Las nuevas observaciones deberían ayudar a aclarar algunas de estas ideas.

«El mecanismo de formación de los primeros agujeros negros es una parte importante del rompecabezas de la evolución de las galaxias», dijo el autor principal del estudio, Hayes. «Junto con los modelos de cómo crecen los agujeros negros, los cálculos de la evolución de las galaxias ahora pueden basarse en una base más motivada físicamente, con un esquema preciso de cómo los agujeros negros son creados por estrellas masivas colapsadas».

«Estas fuentes proporcionan las primeras mediciones de nSMBH en la época de reionización mediante variabilidad fotométrica», explican los autores en su artículo. Dicen que las fuentes identificadas en su trabajo indican la mayor población de agujeros negros jamás reportada para estos corrimientos al rojo. «Esta abundancia de SMBH también es sorprendentemente similar a las estimaciones de nSMBH en el Universo local», escriben los autores.

Algunos modelos teóricos sugieren que hubo una gran cantidad de AGN en la época de la reionización. El JWST nos muestra que parece haber más SMBH y AGN de ​​lo que pensaban los astrónomos. Al encontrar más SMBH y AGN, esta investigación contribuye a nuestra comprensión de los agujeros negros y la evolución del Universo.

Pero todavía queda mucho trabajo por hacer. Los investigadores creen que se necesita una muestra más grande de AGN con altos corrimientos al rojo para reducir las incertidumbres y fortalecer sus resultados, y el JWST puede ayudar. «El JWST es necesario para avanzar hacia la detección de AGN más débiles a través de la variabilidad», explican los autores, y añaden que el telescopio espacial necesitará años de seguimiento para lograrlo.

Este trabajo también subraya la continua contribución del HST a la astronomía. Puede que no sea tan poderoso como el JWST, pero cuenta con el beneficio de muchos años de observaciones en su haber y continúa demostrando su valor como un observatorio poderoso por derecho propio.

«Por el contrario, el legado de imágenes NIR profundas del HST ya se remonta a unos 15 años atrás, lo que proporciona una base excelente para el seguimiento».

Escrito por Evan Gough/Universe Today.