JWST encuentra una extraña armonía en las primeras galaxias y agujeros negros

Las proporciones (pensemos en la proporción áurea y sus afines) son la base de nuestra realidad y se encuentran en todo, desde la música hasta la estructura del cosmos. Discernirlos es la fuente de nuestro conocimiento empírico del mundo. Aprovechar las proporciones también permite ver lo oculto, de maneras que pueden parecer casi mágicas. En la Tierra, los paleontólogos pueden estimar el tamaño de un dinosaurio extinto hace mucho tiempo, por ejemplo, extrayendo del suelo sólo el hueso del muslo, porque la parte es proporcional al todo. En todo el cielo, los astrónomos han encontrado y explotado muchas relaciones similares (que van desde las arquitecturas de los sistemas planetarios hasta la agrupación de galaxias) para obtener una comprensión más profunda del universo.

A veces, sin embargo, las mayores revelaciones que pueden ofrecer las proporciones surgen de la discordia más que de la armonía. Un nuevo ejemplo proviene del Telescopio Espacial James Webb (JWST), que acaba de revelar una desproporción inesperada en el cosmos, que puede iluminarnos sobre el nacimiento de los primeros agujeros negros.

En las últimas décadas, las observaciones han demostrado que los agujeros negros supermasivos, millones o miles de millones de veces más masivos que nuestro Sol, residen en los centros de grandes galaxias, incluida la Vía Láctea. En el universo cercano reina una proporción elegante: la masa de cada agujero negro central es alrededor del 0,1 por ciento, o una milésima parte, de la masa estelar de cada galaxia anfitriona.

Eso es notable. Imagine un piano donde los tonos musicales representan masa: un tono alto significa una masa alta, un tono bajo indica una masa baja. ¡En la suave luz del auditorio cósmico, una nota aguda introduce la apariencia de una galaxia colosal! Luego, una nota grave: ¡se materializa un agujero negro! Para la Vía Láctea y la gran mayoría de las grandes galaxias que la rodean a unos pocos miles de millones de años luz, la diferencia de 1.000 veces entre el agujero negro y los tonos galácticos sería de unas 10 octavas. Ese es un rango mayor que el que puede producir un piano. Sorprendentemente, los estudios del JWST del universo mucho más lejos de nosotros (y, dada la velocidad finita de la luz, mucho más atrás en el tiempo) muestran que los agujeros negros y las galaxias se están sintonizando con una armonía completamente diferente. Las galaxias de aquellas épocas remotas y antiguas contienen agujeros negros de 10 a 100 veces más masivos que los que se encuentran en galaxias similares en el universo actual. En nuestra analogía tonal, están separadas por tan solo tres octavas, lo que sugiere una sonata cósmica que se interpreta fácilmente en un piano.

Como dicen los astrofísicos, estos agujeros negros lejanos son “sobremasivos” con respecto a sus anfitriones en comparación con los que encontramos en las galaxias que nos rodean hoy. Muchas observaciones del JWST, por ejemplo en las encuestas JADES y CEERS, respaldan ahora esta conclusión. Estamos siendo testigos de una población de agujeros negros infantiles que crecen demasiado en sus guarderías y florecen más rápido de lo esperado en el universo temprano y distante. El actual poseedor del récord del agujero negro más lejano y más antiguo jamás visto, GN-z11, se ajusta a esta sorprendente tendencia, y los astrónomos incluso han detectado otro agujero negro muy distante del universo temprano que puede ser tan masivo como su anfitrión galáctico.

¿Por qué los agujeros negros y sus mansiones galácticas difieren en masa relativa, dependiendo de si residen en el universo lejano o cercano? Los datos del JWST sugieren que los agujeros negros inicialmente tienen una masa similar a la de sus anfitriones. Luego, a lo largo de miles de millones de años, el agujero negro y su galaxia afinan sus tonos y finalmente alcanzan esa melodía bellamente discordante de 10 octavas que presenciamos en las galaxias locales. El hecho de que los agujeros negros y las galaxias puedan “comunicarse” es asombroso. A pesar de su colosal poder, los agujeros negros son minúsculos en comparación con sus hogares galácticos. Si imaginamos que el horizonte de sucesos de un típico agujero negro supermasivo tiene la longitud de una hormiga, entonces el radio de su galaxia apenas cabría en el espacio entre la ciudad de Nueva York y Los Ángeles. Es decir, estas “hormigas” están influyendo de alguna manera en una región circundante equivalente a los EE. UU. continentales. Los científicos saben que el “canal de comunicación” entre estos reinos dispares implica la inmensa energía que liberan los agujeros negros centrales, que regula efectivamente la velocidad a la que las galaxias forman nuevas estrellas. y establece la relación de masa de agujero negro/galaxia de 1 a 1.000. Pero aún se desconocen muchos detalles cruciales sobre este mecanismo caótico y enigmático.

¿Por qué esta proporción no rige en el universo primitivo? ¿Por qué la música era tan diferente en aquel entonces? Las implicaciones de estas preguntas están repercutiendo en los fundamentos mismos de la astrofísica a medida que, por primera vez con JWST, observamos los primeros momentos de la formación de agujeros negros y la coevolución con las galaxias. Algunos estudios recientes sostienen que estas observaciones proporcionan la mejor evidencia hasta ahora de que algunos agujeros negros nacieron masivos. Es decir, a diferencia de la mayoría de los agujeros negros, que son restos relativamente livianos dejados por estrellas masivas moribundas, estos deben haberse formado a partir del colapso directo de nubes de gas gigantes que llenaron el universo primitivo, dando lugar a leviatanes que, desde el principio, son mucho más más masiva que cualquier estrella. De ser cierta, esta especulación cada vez más bien informada respondería finalmente a uno de los clásicos problemas del “huevo o la gallina” de los astrofísicos: ¿se formaron primero los agujeros negros supermasivos centrales o sus galaxias anfitrionas? Hasta ahora, las observaciones del JWST sugieren que primero apareció un agujero negro pesado, y más tarde comenzó la formación de estrellas galácticas.

Para concluir, ¿por qué estamos descubriendo ahora esta sorprendente propiedad de los sistemas galácticos del universo temprano? La respuesta es que acabamos de adquirir los “ojos electrónicos” necesarios para verlos: JWST destaca por ver objetos cósmicos que no sólo están lejos sino que también son débiles. Puede estudiar de manera única agujeros negros más jóvenes increíblemente cerca del amanecer cósmico de los tiempos, aquellos que pesan millones en lugar de miles de millones de masas solares como los gigantescos pesos pesados ​​que otros telescopios han observado rutinariamente durante generaciones. Cuanto más pequeño es el agujero negro, más débil es la luz que irradia. Los agujeros negros “supermasivos más ligeros” que ahora detecta el JWST no pueden eclipsar a su galaxia anfitriona, como fue el caso de los más grandes con los que los investigadores se han familiarizado. Por lo tanto, para estos objetos más pequeños y jóvenes, podemos ver la luz de las estrellas pertenecientes a sus galaxias anfitrionas y al mismo tiempo medir su masa. El poder sin precedentes del JWST nos ha llevado a la cúspide de resolver uno de los misterios más profundos de la astrofísica (los orígenes de las galaxias y sus agujeros negros supermasivos) simplemente permitiéndonos, como escribió Dante, ver, una vez más, las estrellas.

Este es un artículo de opinión y análisis, y las opiniones expresadas por el autor o autores no son necesariamente las de Científico americano.