Source: The Conversation – (in Spanish) – By Jordi Miralda, Catedrático de investigación ICREA en Astrofísica y Cosmología, Universitat de Barcelona
Los puntitos rojos (Little Red Dots, LRDs) son uno de los descubrimiento más importantes del telescopio espacial James Webb (JWST), y podrían representar una nueva fase crucial de la evolución de los cuásares en núcleos galácticos: el nacimiento de los primeros agujeros negros supermasivos.
NASA, ESA, CSA, STScI, Dale Kocevski (Colby College)., CC BY
El descubrimiento de los cuásares
Cuando el astrónomo neerlandés Maarten Schmidt descubrió los cuásares en el año 1963, el universo conocido se engrandeció de repente: eran los objetos más lejanos detectados hasta entonces. Se trata de fuentes de luz puntuales situadas a gran distancia, e implican una luminosidad enorme de hasta 100 veces la de toda la Vía Láctea.
La hipótesis que pronto fue propuesta para estos objetos capaces de emitir tanta luz desde un espacio tan compacto es que son agujeros negros supermasivos que atrapan material de su entorno, formando un disco de plasma calentado hasta temperaturas mucho más altas que las de cualquier estrella.
Antes de caer inexorablemente tras el horizonte del agujero negro y desaparecer para siempre, la materia puede convertir una gran parte de su masa en reposo en la energía de la intensa luz que vemos (entre un 5 % y un 40 %, mucho más eficiente que la fusión nuclear que alimenta las estrellas).
Esta explicación se vio confirmada por los chorros de radio superlumínicos, que son plasma expulsado desde los polos de rotación del agujero negro a velocidades de hasta el 99 % de la de la luz.
La formación de los agujeros negros
¿Cómo se pueden formar estos agujeros negros tan masivos, de hasta miles de millones de masas solares en los casos más extremos, en el núcleo de una galaxia? Es una de las grandes incógnitas que plantean los cuásares.
La idea más simple es que se formaran a partir de las primeras estrellas masivas del universo, que colapsaron a agujeros negros al final de su breve vida. Estos primeros agujeros negros, según hemos descubierto a través de las ondas gravitacionales detectadas por LIGO y Virgo, podían alcanzar ya hasta unas 50 masas solares.
Continuando la hipótesis, estos agujeros negros estelares se concentrarían en los núcleos galácticos, donde
podrían crecer acretando materia del entorno y fusionándose entre ellos
hasta alcanzar las masas de los agujeros negros nucleares responsables de los cuásares.
Esta idea conlleva una posible dificultad: si los cuásares crecen acretando materia de un disco, su luminosidad se ve limitada por un máximo valor posible para que la materia pueda seguir acretando, llamada la luminosidad de Eddington, y un correspondiente ritmo máximo de acreción del disco, que implica que son necesarios unos 30 millones de años para duplicar la masa del agujero negro.
Pero los cuásares más luminosos han sido descubiertos a distancias muy grandes, donde los vemos cuando el universo era aún muy joven, con solo unos 600 millones de años de edad (la edad actual del universo es de 13 800 millones de años).
Algo no encajaba. Según la teoría actual de la formación de galaxias, denominada teoría de la materia oscura fría, las primeras estrellas se formaron cuando el universo tenía unos 300 millones de años. Con otros 300 millones de años de tiempo no basta para hacer crecer los agujeros negros (diez duplicaciones de la masa nos dan un crecimiento de un factor 2¹⁰, o un factor 1000 aproximadamente, insuficiente para crecer desde la masa de un agujero negro estelar hasta uno de un cuásar).
Los modelos indican también que es difícil producir tantas fusiones como serían necesarias para aumentar la masa más rápidamente.
El modelo de la ‘estrella de agujero negro’
Otras ideas más exóticas han invocado la posibilidad de agujeros negros primordiales, formados ya desde el primer segundo de vida del universo.
Pero hay una solución menos radical: si a un agujero negro le “echamos” una gran cantidad de materia, la densidad del gas puede ser tan alta que la luz emitida no pueda escapar y termine cayendo también en el hoyo.
Así se puede producir una acreción super-Eddington –un proceso en el que un agujero negro absorbe gas y materia a un ritmo mayor de lo esperado debido a una reducción de la eficiencia con que se emite luz– y un crecimiento más rápido del agujero negro. La alta densidad del gas que le rodea puede dar lugar a un capullo, una estructura opaca que lo envuelve y absorbe el cuásar central, creando una atmósfera gigante parecida a la de una estrella. Así fue como este modelo fue bautizado como “estrella de agujero negro”.
Los puntitos rojos: ¿la solución?
Entramos ahora en el nuevo descubrimiento del telescopio espacial JWST, que observa el universo en luz infrarroja desde el año 2022: los puntitos rojos.
Son nuevas fuentes muy compactas de luz roja que comparten algunas características de los cuásares: líneas de emisión que indican ionización y grandes velocidades cerca del agujero negro, además de gran luminosidad surgiendo de una región muy compacta. Sin embargo, son muy distintos en otros aspectos: no vemos ni rayos X ni radio, la luz es más roja y su espectro muestra la discontinuidad de Balmer (un salto o caída repentina en la intensidad del espectro continuo de una estrella debido a absorción por hidrógeno), que es característica de las atmósferas estelares.
Aunque al principio algunos cosmólogos interpretaron esto último como la evidencia de que los puntitos rojos son luz de estrellas jóvenes sin relación con los cuásares, varias observaciones recientes muestran características de sus líneas de emisión indicativas de grandes densidades de plasma y de la atmósfera gigante esperadas en el modelo de la estrella agujero negro, que explican la discontinuidad de Balmer y otros detalles de los puntitos rojos.
Esto ha decantado la evidencia a favor del capullo que oculta un cuásar en el proceso de formación, con el agujero negro como motor principal de la luz que vemos, pero oculto para esconder su aspecto habitual en los cuásares ya plenamente formados.
Será necesario seguir indagando en esta idea con más observaciones que
aclaren la naturaleza de los puntitos rojos.
Llegaron antes que los cuásares
De momento, los datos ya confirman que los puntitos rojos tuvieron su pico de máxima actividad antes que los cuásares. Su abundancia bajó rápidamente cuando el universo tenía unos 3 000 millones de años, cuando los cuásares justo empezaban su descenso hasta el universo actual, en el que son ya una rareza en comparación con su época de esplendor.
Las observaciones apoyan la idea de que los puntitos rojos son cuásares en formación, donde el agujero negro crece con rapidez en el núcleo de una galaxia joven. El gas denso que alimenta este crecimiento forma un capullo que oculta y nos impide ver el cuásar con toda su majestuosidad hasta unos cuantos millones de años más tarde.
Jordi Miralda recibe fondos de Ministerio de Ciencia e Innovación.
Trabajé en plazas postdoctorales y tambien como profesor con algunas de las personas citadas, como Sir Martin J. Rees, y en mi propio artículo con Jaiyul Yoo.
Kazushi Iwasawa recibe fondos de Ministerio de Ciencia e Innovación. Trabajé unas veces con Kohei Inayoshi citado en este artículo.
– ref. Los puntitos rojos descubiertos por el telescopio James Webb y el origen de los agujeros negros supermasivos – https://theconversation.com/los-puntitos-rojos-descubiertos-por-el-telescopio-james-webb-y-el-origen-de-los-agujeros-negros-supermasivos-287651