Años antes de que estuviera segura de que Telescopio espacial James Webb se lanzaría con éxito, cristina eilers comenzó a planificar una conferencia para astrónomos especializados en el universo primitivo. Sabía que si, preferiblemente, cuando JWST comenzara a hacer observaciones, ella y sus colegas tendrían mucho de qué hablar. Como una máquina del tiempo, el telescopio podía ver más lejos y más lejos en el pasado que cualquier otro instrumento anterior.

Afortunadamente para Eilers (y el resto de la comunidad astronómica), su planificación no fue en vano: JWST se lanzó y desplegó sin problemas, luego comenzó a escudriñar el universo primitivo en serio desde su posición en el espacio a un millón de millas de distancia.

A mediados de junio, unos 150 astrónomos se reunieron en el Instituto de Tecnología de Massachusetts para la conferencia JWST "First Light" de Eilers. No había pasado un año desde JWST comenzó a enviar imágenes volver a la tierra. Y tal como había anticipado Eilers, el telescopio ya estaba remodelando la comprensión de los astrónomos sobre los primeros mil millones de años del cosmos.

Un conjunto de objetos enigmáticos se destacó en la miríada de presentaciones. Algunos astrónomos los llamaron "pequeños monstruos ocultos". Para otros, eran “pequeños puntos rojos”. Pero cualquiera que sea su nombre, los datos fueron claros: cuando JWST mira fijamente a las galaxias jóvenes, que aparecen como simples puntos rojos en la oscuridad, ve un número sorprendente con ciclones agitándose en sus centros.

"Parece haber una población abundante de fuentes que no conocíamos", dijo Eilers, astrónomo del MIT, "que no anticipamos encontrar en absoluto".

En los últimos meses, un torrente de observaciones de las manchas cósmicas ha deleitado y confundido a los astrónomos.

“Todo el mundo está hablando de estos pequeños puntos rojos”, dijo Ventilador Xiaohui, un investigador de la Universidad de Arizona que ha pasado su carrera buscando objetos distantes en el universo primitivo.

La explicación más directa para las galaxias con corazón de tornado es que los grandes agujeros negros que pesan millones de soles están azotando las nubes de gas en un frenesí. Ese hallazgo es a la vez esperado y desconcertante. Se esperaba porque JWST fue construido, en parte, para encontrar los objetos antiguos. Son los ancestros de los gigantescos agujeros negros de mil millones de soles que parecen aparecer en el registro cósmico inexplicablemente temprano. Al estudiar estos agujeros negros precursores, como los tres jóvenes que establecieron récords descubiertos este año, los científicos esperan saber de dónde provinieron los primeros enormes agujeros negros y tal vez identificar cuál de las dos teorías en competencia describe mejor su formación: crecieron extremadamente rápido o ¿Simplemente nacieron grandes? Sin embargo, las observaciones también son desconcertantes porque pocos astrónomos esperaban que JWST encontrara tantos agujeros negros jóvenes y hambrientos, y las encuestas están apareciendo por docenas. En el proceso de intentar resolver el misterio anterior, los astrónomos han descubierto una multitud de agujeros negros voluminosos que pueden reescribir las teorías establecidas de estrellas, galaxias y más.

“Como teórico, tengo que construir un universo”, dijo marta volonteri, astrofísico especializado en agujeros negros en el Instituto de Astrofísica de París. Volonteri y sus colegas ahora se enfrentan a la afluencia de agujeros negros gigantes en el cosmos primitivo. “Si son [reales], cambian completamente la imagen”.

Una máquina del tiempo cósmica

Las observaciones del JWST están sacudiendo la astronomía en parte porque el telescopio puede detectar la luz que llega a la Tierra desde un espacio más profundo que cualquier máquina anterior.

“Construimos este telescopio absurdamente poderoso durante 20 años”, dijo otorgar tremblay, astrofísico del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica. "El objetivo original era mirar profundamente en el tiempo cósmico".

Uno de los objetivos de la misión es atrapar galaxias en el acto de formación durante los primeros mil millones de años del universo (de su historia de aproximadamente 13.8 mil millones de años). Las observaciones iniciales del telescopio del verano pasado insinuó un universo joven lleno de galaxias sorprendentemente maduras, pero la información que los astrónomos podían extraer de tales imágenes era limitada. Para comprender realmente el universo primitivo, los astrónomos necesitaban algo más que imágenes; anhelaban los espectros de esas galaxias, los datos que llegan cuando el telescopio descompone la luz entrante en tonos específicos.

Los espectros galácticos, que JWST comenzó a enviar en serio a fines del año pasado, son útiles por dos razones.

Primero, permitieron que los astrónomos determinaran la edad de la galaxia. La luz infrarroja que recolecta JWST está enrojecida o desplazada hacia el rojo, lo que significa que a medida que atraviesa el cosmos, sus longitudes de onda se estiran por la expansión del espacio. La extensión de ese desplazamiento al rojo permite a los astrónomos determinar la distancia de una galaxia y, por lo tanto, cuándo emitió originalmente su luz. Las galaxias cercanas tienen un corrimiento al rojo de casi cero. JWST puede distinguir fácilmente objetos más allá de un corrimiento al rojo de 5, que corresponde a aproximadamente mil millones de años después del Big Bang. Los objetos con desplazamientos al rojo más altos son significativamente más antiguos y están más lejos.

En segundo lugar, los espectros dan a los astrónomos una idea de lo que sucede en una galaxia. Cada tono marca una interacción entre fotones y átomos (o moléculas) específicos. Un color se origina en un átomo de hidrógeno que parpadea cuando se asienta después de un golpe; otro indica átomos de oxígeno empujados y otro nitrógeno. Un espectro es un patrón de colores que revela de qué está hecha una galaxia y qué hacen esos elementos, y JWST proporciona ese contexto crucial para las galaxias a distancias sin precedentes.

“Hemos dado un gran salto”, dijo Aayush Saxena, astrónomo de la Universidad de Oxford. El hecho de que "estamos hablando de la composición química de las galaxias con corrimiento al rojo 9 es absolutamente notable".

(Redshift 9 es alucinantemente distante, correspondiente a una época en que el universo tenía apenas 0.55 millones de años).

Los espectros galácticos también son herramientas perfectas para encontrar un importante perturbador de átomos: agujeros negros gigantes que acechan en el corazón de las galaxias. Los agujeros negros en sí mismos son oscuros, pero cuando se alimentan de gas y polvo, desgarran los átomos, haciéndolos emitir colores reveladores. Mucho antes del lanzamiento del JWST, los astrofísicos esperaban que el telescopio los ayudaría a detectar esos patrones y encontrar suficientes agujeros negros más grandes y activos del universo primitivo para resolver el misterio de cómo se formaron.

Demasiado grande, demasiado temprano

El misterio comenzó hace más de 20 años, cuando un equipo dirigido por Fan vio a uno de las galaxias más lejanas jamás observado: un cuásar brillante, o una galaxia anclada a un agujero negro supermasivo activo que pesa quizás miles de millones de soles. Tuvo un corrimiento al rojo de 5, correspondiente a alrededor de 1.1 millones de años después del Big Bang. Con más barridos del cielo, Fan y sus colegas rompieron repetidamente sus propios récords, empujando la frontera del corrimiento al rojo del quásar a 6 en 2001 y eventualmente a 7.6 en 2021 – solo 0.7 millones de años después del Big Bang.

El problema era que crear agujeros negros tan gigantescos parecía imposible en una época tan temprana de la historia cósmica.

Como cualquier objeto, los agujeros negros tardan en crecer y formarse. Y como un niño de 6 pies de altura, los agujeros negros de gran tamaño de Fan eran demasiado grandes para su edad: el universo no tenía la edad suficiente para que acumularan miles de millones de soles de peso. Para explicar esos niños demasiado grandes, los físicos se vieron obligados a considerar dos opciones desagradables.

La primera fue que las galaxias de Fan comenzaron llenas de agujeros negros estándar, aproximadamente de masa estelar, del tipo que las supernovas suelen dejar atrás. Luego crecieron fusionándose y tragando el gas y el polvo circundantes. Normalmente, si un agujero negro se da un festín lo suficientemente agresivo, una efusión de radiación aleja sus bocados. Eso detiene el frenesí de alimentación y establece un límite de velocidad para el crecimiento de agujeros negros que los científicos llaman el límite de Eddington. Pero es un techo blando: es posible que un torrente constante de polvo supere la efusión de radiación. Sin embargo, es difícil imaginar sostener un crecimiento tan "súper Eddington" durante el tiempo suficiente para explicar las bestias de Fan: habrían tenido que aumentar de forma impensablemente rápido.

O tal vez los agujeros negros puedan nacer increíblemente grandes. Las nubes de gas en el universo primitivo pueden haber colapsado directamente en agujeros negros que pesan muchos miles de soles, produciendo objetos llamados semillas pesadas. Este escenario también es difícil de digerir, porque nubes de gas tan grandes y grumosas deberían fracturarse en estrellas antes de formar un agujero negro.

Una de las prioridades de JWST es evaluar estos dos escenarios mirando hacia el pasado y capturando a los ancestros más débiles de las galaxias de Fan. Estos precursores no serían exactamente cuásares, sino galaxias con agujeros negros algo más pequeños en camino de convertirse en cuásares. Con JWST, los científicos tienen la mejor oportunidad de detectar agujeros negros que apenas han comenzado a crecer: objetos que son lo suficientemente jóvenes y pequeños para que los investigadores determinen su peso al nacer.

Esa es una de las razones por las que un grupo de astrónomos del Cosmic Evolution Early Release Science Survey, o CEERS, dirigido por Dale Kocevski de Colby College, comenzó a trabajar horas extras cuando notaron por primera vez signos de agujeros negros tan jóvenes que aparecían en los días posteriores a Navidad.

“Es impresionante cuántos de estos hay”, escribió Jeyhan Kartaltepe, astrónomo del Instituto de Tecnología de Rochester, durante un debate sobre Slack.

“Un montón de pequeños monstruos escondidos”, respondió Kocevski.

Una creciente multitud de monstruos

En el espectro de CEERS, algunas galaxias saltaron de inmediato como agujeros negros potencialmente escondidos: los pequeños monstruos. A diferencia de sus hermanos más vainilla, estas galaxias emitieron luz que no llegó con un solo tono nítido de hidrógeno. En cambio, la línea de hidrógeno se difuminó, o se amplió, en una gama de tonos, lo que indica que algunas ondas de luz se aplastaron cuando las nubes de gas en órbita aceleraron hacia JWST (al igual que una ambulancia que se acerca emite un aullido creciente cuando se comprimen las ondas de sonido de su sirena) mientras que otras las olas se estiraron mientras las nubes se alejaban. Kocevski y sus colegas sabían que los agujeros negros eran casi el único objeto capaz de arrojar hidrógeno de esa manera.

“La única forma de ver el componente amplio del gas que orbita alrededor del agujero negro es si miras hacia abajo del barril de la galaxia y directamente dentro del agujero negro”, dijo Kocevski.

A fines de enero, el equipo de CEERS había logrado producir una preimpresión que describía dos de los "pequeños monstruos ocultos", como los llamaban. Luego, el grupo se dispuso a estudiar sistemáticamente una franja más amplia de los cientos de galaxias recopiladas por su programa para ver cuántos agujeros negros había. Pero fueron superados por otro equipo, dirigido por Yuichi Harikane de la Universidad de Tokio, solo unas semanas después. El grupo de Harikane buscó en 185 de las galaxias CEERS más distantes y encontrado 10 con amplias líneas de hidrógeno: el trabajo probable de agujeros negros centrales de un millón de masas solares en corrimientos al rojo entre 4 y 7. Luego, en junio, un análisis de otras dos encuestas dirigidas por jorryt mateo del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich identificó 20 más “pequeños puntos rojos” con líneas anchas de hidrógeno: agujeros negros girando alrededor del corrimiento al rojo 5. Un análisis publicado a principios de agosto anunció otra docena, algunas de las cuales pueden incluso estar en proceso de crecimiento por fusión.

“He estado esperando estas cosas durante tanto tiempo”, dijo Volonteri. “Ha sido increíble”.

Pero pocos astrónomos anticiparon la gran cantidad de galaxias con un gran agujero negro activo. Los cuásares bebés en el primer año de observaciones de JWST son más numerosos de lo que los científicos habían predicho en base a la censo de cuásares adultos — entre 10 y 100 veces más abundante.

“Es sorprendente para un astrónomo que nos equivocáramos por un orden de magnitud o incluso más”, dijo Eilers, quien contribuyó al artículo de los pequeños puntos rojos.

"Siempre se sintió como si estos cuásares fueran solo la punta del iceberg con un desplazamiento al rojo alto", dijo Stéphanie Juneau, astrónoma del NOIRLab de la Fundación Nacional de Ciencias y coautora del artículo sobre los pequeños monstruos. "Podríamos encontrar que debajo, esta población [más débil] es incluso más grande que el iceberg normal".

Estos dos van a casi 11

Pero para vislumbrar a las bestias en su infancia, los astrónomos saben que tendrán que ir mucho más allá de los desplazamientos al rojo de 5 y profundizar en los primeros mil millones de años del universo. Recientemente, varios equipos han detectado agujeros negros alimentándose a distancias verdaderamente sin precedentes.

En marzo, un análisis de CEERS dirigido por rebeca larson, un astrofísico de la Universidad de Texas, Austin, descubrió una amplia línea de hidrógeno en una galaxia con un corrimiento al rojo de 8.7 (0.57 mil millones de años después del Big Bang), estableciendo un nuevo récord para el agujero negro activo más distante jamás descubierto.

Pero el récord de Larson cayó solo unos meses después, después de que los astrónomos con la colaboración JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) pusieran sus manos en el espectro de GN-z11. Con un corrimiento al rojo de 10.6, GN-z11 había estado en el borde más débil de la visión del Telescopio Espacial Hubble, y los científicos estaban ansiosos por estudiarlo con ojos más agudos. Para febrero, JWST había pasado más de 10 horas observando GN-z11, y los investigadores pudieron decir de inmediato que la galaxia era un bicho raro. Su abundancia de nitrógeno estaba “completamente fuera de control”, dijo Jan Scholtz, miembro de JADES en la Universidad de Cambridge. Ver tanto nitrógeno en una galaxia joven fue como encontrarse con un niño de 6 años con una sombra de las cinco en punto, especialmente cuando se comparó el nitrógeno con las escasas reservas de oxígeno de la galaxia, un átomo más simple que las estrellas deberían ensamblar primero.

La colaboración de JADES siguió con otras 16 o más horas de observación del JWST a principios de mayo. Los datos adicionales agudizaron el espectro, revelando que dos tonos visibles de nitrógeno eran extremadamente desiguales: uno brillante y otro débil. El patrón, dijo el equipo, indicaba que GN-z11 estaba lleno de densas nubes de gas concentradas por un temible fuerza gravitatoria.

“Fue entonces cuando nos dimos cuenta de que estábamos mirando directamente al disco de acreción del agujero negro”, dijo Scholtz. Esa alineación fortuita explica por qué la galaxia distante era lo suficientemente brillante como para que Hubble la viera en primer lugar.

Los agujeros negros extremadamente jóvenes y hambrientos como GN-z11 son los objetos exactos que los astrofísicos esperaban que resolvieran el dilema de cómo surgieron los cuásares de Fan. Pero en un giro, resulta que ni siquiera el superlativo GN-z11 es lo suficientemente joven o pequeño para que los investigadores determinen de manera concluyente su masa de nacimiento.

"Necesitamos comenzar a detectar masas de agujeros negros con un desplazamiento al rojo mucho más alto, incluso que 11", dijo Scholtz. “No tenía idea de que diría esto hace un año, pero aquí estamos”.

Un toque de pesadez

Hasta entonces, los astrónomos están recurriendo a trucos más sutiles para encontrar y estudiar agujeros negros recién nacidos, trucos como llamar a un amigo, u otro telescopio espacial insignia, para pedir ayuda.

A principios de 2022, Volonteri, Tremblay y sus colaboradores comenzaron a apuntar periódicamente el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA a un cúmulo de galaxias que sabían que estaría en la lista corta de JWST. El grupo actúa como una lente. Dobla el tejido del espacio-tiempo y magnifica las galaxias más distantes detrás de él. El equipo quería ver si alguna de esas galaxias de fondo escupía rayos X, una tarjeta de presentación tradicional de un agujero negro voraz.

En el transcurso de un año, Chandra observó la lente cósmica durante dos semanas, una de sus campañas de observación más largas hasta el momento, y recolectó 19 fotones de rayos X provenientes de una galaxia llamada UHZ1, en un corrimiento al rojo de 10.1. Es muy probable que esos 19 fotones de alto octanaje provengan de un agujero negro en crecimiento que existió menos de quinientos millones de años después del Big Bang, lo que lo convierte en la fuente de rayos X más distante jamás detectada.

Al combinar los datos de JWST y Chandra, el grupo aprendió algo extraño e informativo. En la mayoría de las galaxias modernas, casi toda la masa está en las estrellas, con menos de un porcentaje en el agujero negro central. Pero en UHZ1, la masa parece dividida uniformemente entre las estrellas y el agujero negro, que no es el patrón que los astrónomos habrían esperado para la acumulación de súper Eddington.

Una explicación más plausible, el equipo sugirió, es que el agujero negro central de UHZ1 nació cuando una nube gigante se derrumbó en un enorme agujero negro, dejando poco gas para formar estrellas. Estas observaciones “podrían ser consistentes con una semilla pesada”, dijo Tremblay. Es "una locura pensar en estas bolas de gas gigantes, gigantes que simplemente colapsan".

Es un universo de agujero negro

Algunos de los hallazgos específicos de la loca lucha de espectros en los últimos meses seguramente cambiarán a medida que los estudios pasen por la revisión por pares. Pero es probable que la conclusión general, que el universo joven produjo una gran cantidad de agujeros negros gigantes y activos extremadamente rápido, sobreviva. Después de todo, los cuásares de Fan tenían que venir de alguna parte.

“Los números exactos y los detalles de cada objeto siguen siendo inciertos, pero es muy convincente que estemos encontrando una gran población de agujeros negros en acumulación”, dijo Eilers. “JWST los ha revelado por primera vez, y eso es muy emocionante”.

Para los especialistas en agujeros negros, es una revelación que se ha estado gestando durante años. Estudios recientes de desordenadas galaxias adolescentes en el universo moderno insinuó que se estaban pasando por alto los agujeros negros activos en las galaxias jóvenes. Y los teóricos han tenido problemas porque sus modelos digitales continuamente producían universos con muchos más agujeros negros de los que los astrónomos veían en el real.

“Siempre dije que mi teoría es incorrecta y que la observación es correcta, así que necesito arreglar mi teoría”, dijo Volonteri. Sin embargo, tal vez la discrepancia no apuntaba a un problema con la teoría. “Tal vez estos pequeños puntos rojos no se estaban tomando en cuenta”, dijo.

Ahora que los agujeros negros en llamas se están convirtiendo en algo más que camafeos cósmicos en un universo en proceso de maduración, los astrofísicos se preguntan si reformular los objetos en roles teóricos más sustanciosos podría aliviar algunos otros dolores de cabeza.

Después de estudiar algunas de las primeras imágenes de JWST, algunos astrónomos señalaron rápidamente que ciertas galaxias parecía increíblemente pesado, considerando su juventud. Pero en al menos algunos casos, un agujero negro cegadoramente brillante podría estar llevando a los investigadores a sobrestimar el peso de las estrellas circundantes.

Otra teoría que puede necesitar ajustes es la velocidad a la que las galaxias producen estrellas, que tiende a ser demasiado alta en las simulaciones de galaxias. Kocevski especula que muchas galaxias pasan por una fase de monstruo oculto que provoca una desaceleración en la formación estelar; comienzan envueltos en polvo de creación de estrellas, y luego su agujero negro se vuelve lo suficientemente poderoso como para dispersar la materia estelar en el cosmos, lo que ralentiza la formación de estrellas. “Podríamos estar viendo ese escenario en juego”, dijo.

Mientras los astrónomos levantan el velo del universo primitivo, las corazonadas académicas superan en número a las respuestas concretas. Por mucho que JWST ya esté cambiando la forma en que los astrónomos piensan acerca de los agujeros negros activos, los investigadores saben que las viñetas cósmicas reveladas por el telescopio este año no son más que anécdotas en comparación con lo que está por venir. Campañas de observación como JADES y CEERS han encontrado docenas de posibles agujeros negros que les devuelven la mirada desde fragmentos de cielo de aproximadamente una décima parte del tamaño de la luna llena. Muchos más agujeros negros bebés esperan la atención del telescopio y sus astrónomos.

“Todo este progreso se ha logrado en los primeros nueve a 12 meses”, dijo Saxena. “Ahora tenemos [JWST] para los próximos nueve o 10 años”.