TL;DR:
- El telescopio James Webb encontró evidencia de tres agujeros negros activos en la galaxia J0148-4214, observada cuando el universo tenía unos 1,150 millones de años.
- Dos están cerca del centro, separados por 190 ± 40 parsecs, unos 620 años luz; el tercero se encuentra a unos 5,500 años luz del principal.
- El escenario de una fusión es plausible, pero depende de modelos: la pareja central ni siquiera estaría todavía ligada gravitacionalmente si su órbita fuera circular.
El telescopio espacial James Webb aportó evidencia de tres agujeros negros supermasivos que se alimentan dentro de J0148-4214, una galaxia cuya luz viajó más de 12,500 millones de años. El equipo liderado por Hannah Übler, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, identificó dos fuentes cerca del centro y una tercera en la periferia mediante espectroscopia de campo integral con NIRSpec. La vemos como era apenas 1,150 millones de años después del Big Bang. El hallazgo, descrito en un artículo revisado por pares publicado en Astronomy & Astrophysics, ofrece una escena poco común de cómo las fusiones pudieron acelerar el crecimiento de los agujeros negros en el universo temprano. Webb, sin embargo, no fotografió tres puntos negros: el estudio infiere su presencia a partir de señales del gas y pide datos de mayor resolución para precisar la dinámica del sistema.
Webb separó tres firmas ocultas en la luz de la galaxia
J0148-4214 tiene un corrimiento al rojo de z = 5.0167. Su luz salió cuando el cosmos era muy joven y llegó estirada hacia longitudes de onda infrarrojas, justo el terreno en el que Webb puede trabajar con gran sensibilidad.
La pieza decisiva fue NIRSpec en modo de unidad de campo integral. En vez de reunir toda la luz de la galaxia en un solo espectro, el instrumento obtiene información espectral en distintos puntos de la imagen. Los investigadores encontraron tres componentes anchos de hidrógeno H-alfa, con velocidades medidas por su anchura de entre 430 y 2,920 kilómetros por segundo, sin una señal ancha equivalente en el doblete de oxígeno ionizado.
Ese patrón suele aparecer en la región de líneas anchas que rodea a un agujero negro activo. El equipo examinó explicaciones alternativas, entre ellas supernovas, choques, vientos, estrellas masivas y una sola región central con geometría asimétrica. Los mapas por canales de longitud de onda situaron los dos componentes centrales en posiciones distintas, mientras el tercero apareció al noroeste, separado de la fuente principal.
Las observaciones son compatibles con tres agujeros negros activos y esa es la interpretación que mejor encaja con el conjunto de datos, pero no equivalen a una fotografía directa de tres objetos. Steven Finkelstein, astrónomo de la Universidad de Texas en Austin que no participó en el trabajo, explicó a The New York Times que la velocidad del hidrógeno respalda la presencia de agujeros negros supermasivos en crecimiento. Los propios autores consideran necesarias observaciones con mayor resolución espacial y espectral para refinar la caracterización.
Las tres masas revelan un sistema muy desigual
Las estimaciones nominales muestran tres objetos de tamaños muy distintos:
| Objeto | Masa estimada | Ubicación | Separación proyectada del principal |
|---|---|---|---|
| Agujero negro I | Cerca de 80 millones de masas solares | Centro | Punto de referencia |
| Agujero negro II | Cerca de 600,000 masas solares | Centro | 190 ± 40 parsecs, unos 620 años luz |
| Agujero negro III | Cerca de 2 millones de masas solares | Periferia noroeste | Cerca de 1.7 kiloparsecs, unos 5,500 años luz |
El equipo calculó para la galaxia una masa estelar cercana a 1,300 millones de masas solares. Con los valores centrales del análisis, el agujero negro mayor por sí solo equivale a alrededor de 6% de esa cifra, aunque ambas mediciones tienen incertidumbres considerables.
Las masas se obtuvieron a partir de la luminosidad y la anchura de H-alfa mediante relaciones calibradas en el universo local. El artículo asigna incertidumbres de 0.4 a 0.5 dex y advierte que aplicar esas relaciones a núcleos activos tan antiguos puede introducir errores sistemáticos todavía mayores. Las cifras, por tanto, son estimaciones de orden físico, no pesajes exactos.
El objeto central más pequeño también presenta la tasa de alimentación más alta. Su valor nominal supera el límite de Eddington, el punto teórico en el que la presión de la radiación debería frenar la caída de más materia bajo supuestos simplificados. La incertidumbre calculada para esa tasa es amplia y el propio artículo advierte que las relaciones usadas para estimar masa y luminosidad pueden comportarse de otra forma en núcleos activos tan antiguos.
La pareja central no se fusionará pronto en términos humanos
Los dos agujeros negros centrales están separados por unos 190 parsecs. El artículo señala que, si describieran una órbita circular, todavía no estarían ligados gravitacionalmente. Aun así, su interacción con estrellas, gas y materia oscura probablemente ya les hace perder energía orbital mediante fricción dinámica.
Un cálculo simplificado sitúa el tiempo para que el objeto menor se acerque al principal entre 550 y 660 millones de años, según se use la masa dinámica o la masa estelar estimada de la galaxia. El modelo no representa por completo el gas, que podría acortar el proceso. Hablar de dos agujeros negros “a punto de fusionarse” comprime cientos de millones de años en una frase.
El destino del tercer objeto es todavía menos claro. Si está cayendo hacia el centro, el mismo tipo de cálculo arroja entre 5,000 y 5,900 millones de años. También pudo ser expulsado del núcleo por una interacción de tres cuerpos o por el retroceso gravitacional de una fusión anterior. Julie Comerford, astrofísica de la Universidad de Colorado Boulder ajena al estudio, consideró ambas rutas posibles en declaraciones recogidas por The New York Times.
El 82% de LISA es una proyección condicionada
El estudio simuló si las fusiones descendientes de este sistema podrían ser detectadas por LISA, el futuro observatorio espacial de ondas gravitacionales. En 100 realizaciones de las masas medidas y con orientaciones aleatorias, obtuvo una probabilidad de 38.2 ± 4.2% para la unión de la pareja central y de 81.8 ± 1.8% para una fusión posterior entre el remanente central y el tercer agujero negro.
Ese 82% no es la probabilidad de que los tres objetos vayan a fusionarse. El cálculo presupone que las fusiones ocurren después de los tiempos de fricción dinámica, que los agujeros negros no ganan más masa y que sus giros y precesión pueden ignorarse. También trata las dos uniones por separado. Al cambiar la masa empleada para estimar el tiempo de caída, la segunda probabilidad baja a 78.2%.
Tres agujeros negros abren otra ruta de crecimiento
La acumulación de gas es el mecanismo dominante para hacer crecer agujeros negros masivos, pero una fusión suma en un solo objeto buena parte de la masa de dos predecesores. Encontrar tres candidatos activos dentro de una galaxia tan antigua muestra que las condiciones necesarias para esa cadena ya existían poco más de 1,000 millones de años después del Big Bang.
Un tercer cuerpo también puede intercambiar energía y momento angular con una pareja, y así acelerar etapas que de otro modo podrían frenarse. J0148-4214 no demuestra que los sistemas triples fueran comunes en todo el universo temprano. Sí ofrece un blanco concreto para buscar más casos con NIRSpec: algunos espectros atribuidos a un solo núcleo activo complejo podrían esconder varias fuentes.
