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Observaciones recientes con el Telescopio Espacial James Webb (JWST) revelan la presencia de tres objetos extraños y extremadamente masivos en el Universo temprano, aproximadamente entre 600 y 800 millones de años después del Big Bang. Su firma espectral corresponde a la de cúmulos estelares hiperdensos que potencialmente albergan agujeros negros supermasivos, lo que contradice lo que cabría esperar del Universo temprano.
En 2022, un grupo de astrofísicos detectó tres objetos extremadamente masivos que datan de hace entre 600 y 800 millones de años después del Big Bang, cuando el Universo tenía sólo el 5% de su edad actual. Al estudiar sus espectros, los investigadores detectaron firmas de estrellas primitivas, mucho más antiguas de lo que normalmente sería posible en el Universo temprano, según el modelo cosmológico estándar.
También se sorprendieron al descubrir huellas de agujeros negros extremadamente masivos, entre 100 y 1.000 veces más masivos que el agujero negro del centro de nuestra galaxia. Una vez más, el proceso de formación de agujeros negros y galaxias según el modelo cosmológico estándar no coincide.
Una invitación a soñar, lista para ser usada.
« es muy confuso “, dijo Joel Leja, profesor asistente de astronomía y astrofísica y coautor del estudio, en un comunicado de prensa de la Universidad Penn State. “ Podemos hacer que esto encaje en nuestro modelo actual del Universo, pero sólo si evocamos una formación exótica e increíblemente rápida al principio de los tiempos. “, el explica.
De hecho, aunque los investigadores sospecharon inicialmente que se trataba de galaxias masivas y tempranas, este tipo de objetos en realidad no deberían poder formarse en el Universo temprano. Los procesos de retroalimentación inducidos por la formación de estrellas generalmente limitan su fracción de bariones (partículas compuestas que forman la materia visible) muy por debajo de la fracción de bariones cósmicos. Esto significa que los objetos en cuestión habrían aparecido antes de lo estimado y representarían más masa de la esperada.
El nuevo estudio, publicado recientemente en Las cartas de la revista astrofísica, es una continuación de esta investigación, cuyo objetivo es confirmar la verdadera naturaleza de estos objetos. Los investigadores han descubierto que, efectivamente, se trata de galaxias cercanas al origen del Universo que parecen albergar gigantescos agujeros negros supermasivos.
« Fue totalmente inesperado encontrar estrellas viejas en un universo tan joven. Los modelos estándar de cosmología y formación de galaxias han tenido un éxito increíble, pero estos objetos luminosos no encajan del todo en estas teorías. “, explica el autor principal del estudio, Bingjie Wang.
¿Pequeñas galaxias albergan agujeros negros “supermasivos”?
Para llevar a cabo sus observaciones y análisis, los investigadores del nuevo estudio se basaron en el espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) a bordo del JWST y la supercomputadora Roar del Instituto de Ciencias Computacionales y de Datos de la Universidad Penn State. NIRSpec es un espectrógrafo multiobjeto que permite obtener simultáneamente los espectros de más de cien objetos por campo de visión de 3’x3′ con varios
resoluciones espectral. El instrumento puede remontarse a hace 13.500 millones de años, al comienzo del Universo.
Sin embargo, incluso con la resolución de JWST, los análisis espectrales en lugares tan lejanos del Universo plantean un gran desafío, ya que es difícil distinguir con precisión los objetos fuente. Los tres objetos estudiados por el equipo muestran claramente las características de los agujeros negros supermasivos y de las estrellas antiguas y masivas. Sin embargo, no sabemos exactamente qué fracción de la luz observada proviene de cada uno de los dos componentes. Es decir, es difícil diferenciar entre la luz procedente del disco de acreción de los agujeros negros y la emitida por las estrellas que componen los objetos estudiados.
Según los investigadores, los datos indican que podrían ser galaxias primitivas y extremadamente masivas que se formaron mucho antes de lo que predicen los modelos, o galaxias de masa estándar con agujeros negros “supermasivos” (o “agujero negro sobremasivo”) aproximadamente entre 100 y 1.000 veces más masivos. que los de una galaxia de tamaño equivalente. “
La incapacidad de diferenciar en los datos actuales deja mucho espacio para la interpretación de estos intrigantes objetos. “, dice Wang.
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Izquierda: fuentes detectadas por el continuo con rupturas de Balmer (que miden la luminosidad total emitida por estrellas masivas), representadas por diamantes sólidos en el plano de color. Derecha: Imágenes en color de las tres fuentes detectadas por las rupturas de Balmer, con colores de JWST/NIRCam F115W, F277W y F444W. Son notablemente compactos en longitudes de onda rojas, con cierta evidencia de estructura espacial en longitudes de onda azules. © Bingjie Wang y otros.
Poblaciones estelares extremadamente densas
Si parte de la luz proviene de agujeros negros supermasivos, estos tampoco serían agujeros negros supermasivos convencionales. De hecho, producen muchos más fotones ultravioleta de lo normal. Anteriormente se han detectado otros objetos con características fotónicas similares, pero que no exhiben las propiedades de un agujero negro supermasivo.
Por otro lado, lo más sorprendente sería su masa increíblemente alta, según los investigadores. Normalmente, las galaxias y los agujeros negros supermasivos de sus centros evolucionan juntos a lo largo de sus vidas. Sin embargo, los agujeros negros detectados por los investigadores parecen estar en el centro de pequeñas galaxias, aunque hayan alcanzado la madurez y parezcan completamente formados. “ Esto realmente no tiene sentido, porque estos objetos deberían evolucionar juntos, o al menos eso es lo que pensábamos. », estime Leja.
Además, las poblaciones de estrellas son tan densas que sólo podrían haberse formado en condiciones especialmente exóticas para la época. Si esta densidad estelar se transpusiera a nuestra galaxia, la estrella más cercana a la Tierra estaría en nuestro sistema solar, mientras que el agujero negro supermasivo en su centro estaría a sólo 26 años luz de distancia (frente a los 26.000 años luz en la realidad) y sería visible. en el cielo como un pilar gigante de luz. Además, estas intrigantes galaxias parecen específicas del Universo temprano, porque su formación aparentemente se detuvo después de sólo unos pocos miles de millones de años por alguna razón misteriosa.
Próximamente, los investigadores planean profundizar sus observaciones dirigiendo el telescopio hacia estos objetos durante períodos prolongados. Esto confirmaría si se trata de galaxias primitivas y extremadamente masivas o de galaxias de masa normal con agujeros negros “supermasivos”.
