Tres agujeros negros supermasivos devorando materia en una misma galaxia del universo temprano

Por primera vez, los astrónomos han descubierto una galaxia en el universo primitivo que alberga no uno, ni dos, sino tres agujeros negros supermasivos alimentándose activamente. El hallazgo, realizado con el telescopio espacial James Webb (JWST), confirma que múltiples agujeros negros masivos podían coexistir y crecer simultáneamente en la misma galaxia tan solo 1.200 millones de años después del Big Bang. Las implicaciones son enormes para entender cómo los agujeros negros crecieron tan rápido en los albores del cosmos y para los futuros esfuerzos de detectar ondas gravitacionales provenientes de fusiones de agujeros negros.

Cómo detectó el JWST el sistema triple de agujeros negros

La galaxia, catalogada como J0148-4214 y observada a un corrimiento al rojo de z≈5 (lo que significa que la vemos tal como era hace unos 12.500 millones de años), fue estudiada con el espectrógrafo de campo integral NIRSpec (NIRSpec IFU) del JWST . Los investigadores identificaron los agujeros negros gracias a una firma espectral muy característica: líneas de emisión Hα anchas, con anchos a media altura que van de 430 a 2.920 km/s, que aparecen sin su contraparte de líneas prohibidas en el brillante doblete [O III] . Este patrón es un indicador inequívoco de agujeros negros en acreción —la materia que cae a altas velocidades cerca del horizonte de sucesos produce la emisión ancha, mientras que la ausencia de líneas prohibidas descarta supernovas, choques, vientos estelares o estrellas masivas como origen de la señal .

El equipo utilizó mapas de canales del perfil asimétrico central de Hα para aislar dos regiones de línea ancha (BLR) espacialmente distintas en el centro galáctico, separadas por 190±40 pársecs (unos 620 años luz). Una tercera BLR se encontró en las afueras de la galaxia, a una separación proyectada de 1,7 kilopársecs (aproximadamente 5.500 años luz) .

Los tres agujeros negros: masas y ubicaciones

Usando relaciones viriales de una sola época, los astrónomos estimaron las masas de los tres agujeros negros:

• Agujero negro central primario: log(M☉) = 7,9 ± 0,4, es decir, aproximadamente 80 millones de masas solares
• Agujero negro central secundario: log(M☉) = 5,8 ± 0,5, o sea, unas 600.000 masas solares
• Agujero negro exterior: log(M☉) = 6,3 ± 0,4, alrededor de 2 millones de masas solares

Los autores del estudio enfatizan que estas cifras tienen incertidumbres considerables —el resultado central es el descubrimiento de tres agujeros negros masivos activos, no los valores exactos de sus masas .

Dos de los agujeros negros están muy cerca uno del otro en el centro galáctico, separados por solo 620 años luz en proyección. El tercero se ubica en la región exterior de la galaxia, a unos 5.500 años luz del centro .

Crecimiento en el universo primitivo y el camino hacia la fusión

J0148-4214 ofrece una ventana única para entender cómo los agujeros negros supermasivos crecieron tan rápido en el universo temprano. El sistema sugiere que las fusiones e interacciones entre galaxias fueron eficientes para juntar agujeros negros masivos, proporcionando una ruta rápida para su crecimiento acelerado . Esta es la primera evidencia de que existían sistemas triples de agujeros negros en los primeros 1.200 millones de años de la historia cósmica.

Los dos agujeros negros centrales, separados por apenas 620 años luz, eventualmente se fusionarán. Esta pareja cercana prepara el escenario para las fusiones de agujeros negros masivos que futuros observatorios de ondas gravitacionales —como la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA, por sus siglas en inglés)— están diseñados para detectar. El descubrimiento demuestra que estas parejas cercanas existieron mucho antes de lo que se conocía .

«Esta es la primera evidencia de tres agujeros negros activos en una sola galaxia en el universo distante», declaró Hannah Übler, líder del grupo de investigación en el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre y autora principal del estudio .

Qué significa esto para la astronomía de ondas gravitacionales

Los dos agujeros negros centrales de J0148-4214 están separados por solo unos pocos cientos de pársecs, lo que significa que están ligados gravitacionalmente y en curso de colisión. Cuando eventualmente se fusionen, generarán ondas gravitacionales detectables por observatorios espaciales como LISA, diseñado para observar fusiones de agujeros negros masivos. El hallazgo muestra que estas parejas cercanas existieron mucho antes en la historia cósmica de lo que se sabía, dando a los astrónomos de ondas gravitacionales un objetivo claro y confirmando que el universo temprano era un entorno bullicioso para las fusiones de agujeros negros .

Por qué este descubrimiento es importante

• Primero en su tipo: Nunca antes se había confirmado que una galaxia del universo primitivo albergara tres agujeros negros supermasivos en acreción activa.
• Crecimiento rápido: El sistema sugiere que las fusiones e interacciones de galaxias fueron eficientes para acercar agujeros negros, explicando cómo pudieron crecer tan rápido tras el Big Bang.
• Precursor de ondas gravitacionales: La pareja central cercana es una probable futura fusión de agujeros negros, proporcionando un laboratorio natural para estudiar los eventos que LISA detectará.
• Capacidad única del JWST: Esta detección solo fue posible gracias a la espectroscopia de resolución espacial del JWST, que puede distinguir múltiples núcleos activos en galaxias débiles y lejanas .

Los hallazgos se publicaron en un preprint en arXiv.org bajo el nombre de estudio «BlackTHUNDER: evidence for three massive black holes in a z~5 galaxy» .

¿Qué viene ahora?

Los astrónomos planean realizar más observaciones con el JWST para estudiar la dinámica del sistema en mayor detalle y buscar galaxias triples similares en otros campos del universo temprano. El descubrimiento abre un nuevo capítulo en la comprensión de cómo se formaron los objetos más masivos del universo y cómo continúan dando forma al cosmos a través de fusiones.