En el campo de la cosmología y también en otros campos de la astrofísica, el telescopio espacial James Webb (JWST) no ha defraudado. Nos permite explorar EstratosEstratos de luz en la historia del Universo observables mejor que el Hubble e incluso algunas que estaban fuera de su alcance, menos de 500 millones de años después del Big BangBig Bang.
Las observaciones del JWST revelaron así que un gran número de galaxiasgalaxias Ya existían, bien evolucionados y masivos, antes de lo que generalmente se pensaba, hace menos de mil millones de años después del Big Bang. Encontramos en particular grandes agujeros negros supermasivosagujeros negros supermasivos ya contiene más de masamasa que el de nuestro Vía LácteaVía Láctea Hoy. Este es un problema para el modelo cosmológico estándarmodelo cosmológico estándar basado en materia oscura yenergía oscuraenergía oscura. Todavía no estamos ante una refutación, pero podría acabar llegando y llevarnos a adoptar una nueva ley de gravitacióngravitación y/o mecánica en el marco de la teoría de Mond.
Jean-Pierre Luminet, director de investigación del CNRS y Françoise Combes, profesora del Collège de France, nos hablan de los agujeros negros. © Fundación Hugot del Collège de France
Entendemos bastante bien cómo pueden nacer los agujeros negros colapsarcolapsar gravitacionalestrellasestrellas los masivos que contienen unas pocas docenas de masas solares. Obtenemos entonces lo que llamamos agujeros negros estelaresagujeros negros estelares. No ocurre lo mismo con los agujeros negros supermasivos que contienen entre unos pocos millones y unos miles de millones de masas solares en el corazón de las galaxias. Son responsables de la existencia de núcleos galácticos activosnúcleos galácticos activos y en particular los descubiertos desde 1963 y que llamamos quásares.
Los misteriosos quásares
Sabemos que estos objetos influyen en la evolución de las galaxias y sobre todo que estas estrellas crecen juntas, al menos en lo que respecta a las grandes. galaxias espiralesgalaxias espirales y elíptica, porque existe una notable relación de proporcionalidad entre la masa de los agujeros negros en el corazón de estas galaxias y la masa que contienen en forma de estrellas.
La existencia de agujeros negros supermasivos ya es un problema en sí mismo y se han propuesto varias teorías para explicar la formación de estos gigantes. En cualquier caso, hay que poner en juego mecanismos de génesis y de crecimiento rápido. En particular, se pensaba que aquellos que estuvieron activos menos de mil millones de años después del Big Bang debían ser diferentes de los que trabajaban en el cosmoscosmos observable durante unos cuantos miles de millones de años, lo que también explicaría por qué hubo más cuásarescuásares al comienzo de la historia del Universo que hoy.
Recuerde que los cuásares son núcleos activos de galaxias muy brillantes que resultan de una importante acreciónacreción de materiamateria por agujeros negros supermasivos, gran parte del cual material acaba cayendo en ellos.
Sabías ?
Hace unos 60 años, la técnica de las ocultaciones permitió determinar la contraparte visible de lo que entonces era sólo una fuente de radio sorprendentemente poderosa, 3C 273. Cuando Maarten Schmidt, un astrónomo holandés, realizó el análisis espectral de la luz de la estrella Aún en lo visible, descubrió con asombro que las líneas de emisiones de hidrógeno estaban fuertemente desplazadas hacia el rojo. Sin embargo, 3C 273 apareció en el visible como una estrella, mientras que este resultado implicaba que estaba ubicada fuera de la Vía Láctea a una distancia cosmológica. Por tanto, para ser observable desde tan lejos, el objeto debía tener una luminosidad prodigiosa. Pronto se descubrirían otras fuentes de radio cuasi estelares, los cuásares, según el nombre propuesto en 1964 por el astrofísico chino Hong-Yee Chiu. Hoy se conocen más de 200.000.
Los astrofísicos intentaron desde muy temprano comprender la naturaleza de estas estrellas que, aunque liberaban enormes cantidades de energía, parecían pequeñas. Primero pensamos que podrían ser estrellas enormes dominadas por los efectos de la relatividad general, particularmente responsables del desplazamiento espectral, antes de considerar rápidamente que podrían ser agujeros negros supermasivos que acumulan grandes cantidades de gas. En el bestiario de estrellas relativistas que comenzamos a explorar seriamente durante la década de 1960, algunos, como el ruso Igor Novikov y el israelí Yuval Ne’eman, incluso han propuesto que los quásares son en realidad agujeros blancos. Es decir, ni regiones del Universo cuya expansión en el momento del Big Bang se había retrasado (hipótesis de núcleo rezagado), o el otro extremo de los agujeros de gusano expulsando la materia que habían absorbido en forma de agujeros negros en otra parte del cosmos, o incluso en otro Universo.
Se puede demostrar que la radiación producida por el gasgas caliente de disco de acrecióndisco de acreción ejercita un presiónpresiónla famosa presión de radiaciónpresión de radiación, sobre la materia que cae sobre un agujero negro. Incluso hay un brillobrillo Límite más allá del cual la radiación detiene el flujo de materia. Este es sólo un ejemplo para dejar claro que la determinación teórica de cómo crece un agujero negro no es sencilla. En términos más generales, existen incertidumbres sobre cómo crece un agujero negro al tragar materia.
Podríamos esperar probar teorías que proponen un suministro diferente de materia de agujeros negros menos de mil millones de años después del Big Bang observando los quásares de esa época con el JWST. Esto es lo que hace un equipo deastrofísicosastrofísicos se había comprometido a hacerlo observando el quásar más distante conocido actualmente en la noosfera en enero de 2023, durante el primer ciclo de observaciones del JWST.
J1120+0641, un cuásar de laboratorio
La recopilación de datos duró aproximadamente dos horas y media y, por lo tanto, se refería a la espectroespectro del famoso cuásar J1120+0641 ubicado en el constelación del leónconstelación del leónobservado en elinfrarrojoinfrarrojo medio con el instrumento MiriMiri del JWST durante el llamado período deAlbaAlba cósmico. En este caso para este cuásar, apenas 770 millones de años después del Big Bang (corrimiento al rojocorrimiento al rojo (z = 7).
El análisis de las observaciones fue confiado a Sarah Bosman, investigadora postdoctoral en el Max-InstitutPlanckPlanck de Astronomía (MPIA) y miembro del consorcio europeo Miri, y se expone con el trabajo de sus colegas en un artículo en Astronomía de la naturaleza.
Françoise Combes, profesora del Collège de France, nos habla de los agujeros negros supermasivos. © Escuela Normal Superior, PSL
En un comunicado de prensa del MPIA, el investigador revela brutalmente lo descubierto. “ En general, las nuevas observaciones no hacen más que aumentar el misterio: los primeros quásares eran sorprendentemente normales. Lo que longitud de ondalongitud de onda Desde el momento en que los observamos, los quásares son casi idénticos en todo momento en el Universo. »
Su declaración se complementa con explicaciones en el mismo comunicado de prensa: “ La forma general del espectro del infrarrojo medio (“continuo”)) codifica las propiedades de un gran toro de polvo que rodea el disco de acreción en los cuásares típicos. Este toro ayuda a guiar la materia hacia el disco de acreción, “alimentando” el agujero negro… el toro, y por extensión los mecanismos de alimentación en este quásar tan temprano, parecen ser los mismos que los de sus homólogos más modernos. La única diferencia es una que ningún modelo del rápido crecimiento de los primeros cuásares había predicho: una temperatura del polvo ligeramente superior, de unos cien grados. kelvinkelvin que los 1300 K encontrados para el polvo más caliente en quásares menos distantes ».
Así, J1120+0641, con un brillo equivalente a 63×1012 veces la de SolSol Generado por un agujero negro supermasivo de aproximadamente 2 mil millones de masas solares parece maduro tanto en tamaño como en masa en una etapa temprana de la historia del cosmos, lo cual es difícil de explicar en el marco de los modelos actuales y quizás imposible.
En particular, se pensaba que su masa había sido sobreestimada debido a la presencia de una gran cantidad de polvo en la galaxia que alberga el quásar, lo que habría modificado su espectro hasta el punto de hacerlo crecer. Pero ahora parece que este no es el caso, al menos para J1120+0641.
Tres escenarios para producir semillas de agujeros negros supermasivos
Recordemos que se han planteado principalmente tres hipótesis para explicar el nacimiento de los agujeros negros supermasivos.
El primero tiene que ver con los agujeros negros cosmológicos primordiales, restos de la fase de alta densidad del Big Bang menos de un segundo después de su inicio, donde grandes cantidades de materia podrían colapsar gravitacionalmente directamente en estos agujeros negros.
El segundo involucra estrellas. exóticoexótico muy masivas, de unos pocos cientos a varios miles de masas solares en particular, pero quizás más, siendo parte de las primeras estrellas del cosmos observable, las llamadas Población III, nacidas durante los primeros cientos de millones de años de la historia del cosmos observable. . Estas estrellas se habrían formado entonces en las condiciones particulares del Universo en el momento de edad Oscuraedad Oscuramientras que la materia bariónica en el origen de todas las estrellas consistía en una mezcla casi pura dehidrógenohidrógenod’heliohelio y ellos isótoposisótopossin ningún rastro de elementos pesados como carbóncarbónel siliciosilicio y el ferfer.
Esta diferencia es importante, desde hace miles de millones de años, la existencia de silicatos y polvo carbonoso ha sido necesaria para permitir el colapso de nubesnubes molecular y polvoriento donde nacen los viveros de estrellas. De hecho, al colapsar bajo sus propios gravedadgravedadestas nubes se calientan y aparece una presión que detiene el colapso, a menos que un agente disipe parte de la calorcalor en estas nubes, lo que las hace enfriarse. Al final del Big Bang, sin este polvo, la formación de estrellas no podría ser la misma. De hecho, también tenemos problemas para dar origen a estrellas supermasivas que, después de haber explotado en supernovassupernovaspodría dejar agujeros negros gigantes que contengan mucho más que unos pocos cientos de masas solares, gérmenesgérmenes de agujeros negros supermasivos que llamamos agujeros negros de masa intermedia.
La última hipótesis supone, todavía en el período de formación de las primeras estrellas, que inmensas nubes de materia colapsan dando lugar directamente a agujeros negros de masas intermedias durante los primeros cientos de millones de años después del Big Bang. Por lo tanto, obtendríamos muy rápidamente grandes agujeros negros y esto es precisamente lo que sugieren las observaciones actuales sobre J1120+0641. Los investigadores también deducen que estos primeros agujeros negros formados por colapso gravitacional directo ya debían contener al menos 100.000 masas solares.
En todos los casos, los agujeros negros masivos generados crecerán luego mediante acreción de materia, particularmente en forma de filamentos fríos que también hacen que las galaxias crezcan según el paradigma que se ha establecido durante la última década. Colisiones entre galaxias, seguidas de fusiónfusión, también provocará que los agujeros negros masivos y supermasivos se fusionen y crezcan. Pero queda el “problema final del parsec” sobre este tema.
