El telescopio James Webb utiliza una lente gravitacional para pesar directamente un monstruoso agujero negro inactivo a 10 mil millones de años luz

La solución residió en el efecto de lente gravitacional. Un enorme cúmulo de galaxias en primer plano se sitúa casi perfectamente entre la Tierra y MRG-M0138. La inmensa gravedad del cúmulo deforma el propio espacio-tiempo, curvando la luz de la galaxia de fondo conforme viaja hacia nosotros y actuando como un telescopio cósmico natural. Esta alineación agranda la imagen de MRG-M0138 por un factor de aproximadamente 30 veces, transformando un punto irresoluble en una estructura cuyo núcleo puede ser estudiado .

Dinámica estelar: pesando lo invisible

Con la vista magnificada por la lente, el equipo usó el Espectrógrafo de Campo Integral NIRSpec del Webb, un instrumento que capturó un espectro para cada píxel en la imagen. Esto permitió a los científicos mapear las velocidades de las estrellas a diferentes distancias del centro galáctico. La técnica se conoce como dinámica estelar, el mismo método usado para pesar el agujero negro central de la Vía Láctea, un logro que ganó el Premio Nobel de Física en 2020 .

Las estrellas más cercanas a un agujero negro supermasivo orbitan más rápido. Al modelar cómo las velocidades estelares cambiaban con el radio usando el movimiento kepleriano básico, el equipo pudo identificar la "esfera de influencia" del agujero negro, la región donde su gravedad domina el baile de las estrellas. Esto les permitió una medición de masa directa. Antes de este estudio, la medición de dinámica estelar directa más lejana era para un agujero negro a solo unos 700 millones de años luz. MRG-M0138 pulveriza ese récord por más de diez veces .

Lo que encontraron: un gigante que apagó su galaxia

La medición confirmó un agujero negro de aproximadamente 6 mil millones de masas solares . Su galaxia anfitriona, MRG-M0138, es una masiva galaxia elíptica roja que hace mucho tiempo dejó de formar nuevas estrellas. El agujero negro central está inactivo, lo que significa que no está atrayendo ni calentando grandes cantidades de gas actualmente .

Los hallazgos sugieren una historia violenta. Es probable que MRG-M0138 fuera alguna vez un brillante cuásar, alimentado por gas que entraba en espiral hacia el agujero negro en crecimiento. La inmensa producción de energía de esa fase activa pudo haber calentado o incluso expulsado el mismo gas que la formación estelar requiere, apagando efectivamente las fábricas estelares de la galaxia. El estado muerto y tranquilo de la galaxia y el estado inactivo del agujero negro hoy están, por lo tanto, probablemente relacionados; el agujero negro creció tanto y se volvió tan poderoso que sofocó a su propia anfitriona .

Desafiando los modelos de coevolución

Este descubrimiento toca la fibra misma de cómo pensamos que las galaxias y los agujeros negros crecen juntos. En el universo local, existe una estrecha correlación entre la masa de un agujero negro central y las propiedades del bulbo central de su galaxia anfitriona, lo que sugiere que coevolucionan al unísono. Esta nueva medición proporciona evidencia directa de que esta relación no siempre estuvo vigente y que los agujeros negros pueden formarse y crecer hasta tamaños enormes antes de que sus galaxias anfitrionas terminen de ensamblar sus estrellas.

Los datos indican que algunas de las regiones más densas del universo primitivo fueron sitios de crecimiento de agujeros negros extremadamente rápido, superando el ritmo de la galaxia circundante . La medición en MRG-M0138 desafía los modelos coevolutivos simples donde el crecimiento del agujero negro y el de la galaxia están siempre estrechamente acoplados. Futuros rastreos con el Webb, el telescopio Euclid, el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman y observatorios terrestres de nueva generación como el Telescopio Gigante de Magallanes, apuntan a aplicar esta técnica de lente gravitacional más dinámica estelar a muchas más galaxias, construyendo una imagen estadística de la coevolución de agujeros negros y galaxias a través del tiempo cósmico .