Un equip liderat pel centre nord-americà NOIRLab de la Fundació Nacional de Ciències (NSF, per les sigles en anglès), en què participen l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC) i l‘Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), ha descobert un forat negre supermassiu de baixa massa al centre d’una galàxia només 1.500 milions d’anys després del Big Bang. Aquest forat negre consumia matèria a gran velocitat: més de 40 vegades el límit teòric. L’estudi s’ha publicat avui a Nature Astronomy.
Al centre de la majoria de les galàxies hi ha forats negres supermassius i els telescopis moderns els observen en moments sorprenentment primerencs dins de l’evolució de l’univers. És difícil entendre com aquests forats negres van poder créixer tant i tan ràpidament. Amb el descobriment d’un forat negre de baixa massa que s’alimenta de matèria a gran velocitat, a penes observat 1.500 milions d’anys després del Big Bang, els astrònoms i astrònomes compten actualment amb informació valuosa sobre els mecanismes dels forats negres de ràpid creixement en l’univers primerenc.
LID-568 va ser descobert per un equip interinstitucional d’astrònoms dirigit per l’Observatori Internacional Gemini/NSF NOIRLab. Van utilitzar el telescopi espacial James Webb (JWST) per observar una mostra de galàxies del cartografiat COSMOS legacy survey de l’Observatori de raigs X Chandra. Aquesta població de galàxies és molt brillant a la part de raigs X de l’espectre, però són invisibles a l’espectre òptic i a l’infraroig proper. El telescopi JWST té una sensibilitat infraroja única que permet detectar aquestes febles emissions.
“La majoria dels forats negres de l’univers primerenc detectats pel JWST són molt febles (o no són detectables) en raigs X, però LID-569 ens va cridar l’atenció per la seva alta brillantor en raigs X”, diu Mar Mezcua, investigadora de l’ICE-CSIC i l’IEEC i coautora de l’estudi.
LID-568 va destacar dins de la mostra per la seva intensa emissió de raigs X, però la seva posició exacta no es va poder determinar únicament a partir de les observacions de raigs X, la qual cosa va generar inquietuds sobre el correcte centrat de l’objectiu al camp de visió del telescopi JWST. Per tant, en lloc d’utilitzar la tradicional espectroscòpia d’escletxa llarga, els científics involucrats en el suport d’instrumentació del JWST van suggerir que l’equip utilitzés l’espectrògraf de camp integral a l’instrument NIRSpec del telescopi JWST. Aquest instrument pot obtenir un espectre per a cada píxel al camp de visió de l’instrument en lloc de limitar-se a un segment reduït.
L’instrument NIRSpec del JWST va permetre a l’equip obtenir una vista completa del seu objectiu i la seva regió circumdant, fet que va portar al descobriment inesperat de potents fluixos de gas al voltant del forat negre central. La velocitat i la mida d’aquests fluxos van fer que l’equip inferís que una fracció substancial del creixement de massa de LID-568 pot haver ocorregut en un sol episodi de ràpida acreció. “Aquest resultat fortuït va afegir una nova dimensió a la nostra comprensió del sistema i va obrir camins emocionants per a la investigació”, conclou l’astrònoma de l’Observatori Gemini/NSF NOIRLab Hyewon Suh, primera autora de l’estudi.
L’equip va descobrir que LID-568 sembla estar alimentant-se de matèria a un ritme 40 vegades superior al límit d’Eddington. Aquest límit es relaciona amb la lluminositat màxima que pot assolir un forat negre, així com amb la velocitat a la qual pot absorbir matèria, de manera que la força gravitatòria cap a l’interior i la pressió cap a l’exterior generada per la calor de la matèria comprimida que cau cap a ell romanguin en equilibri. Quan es va calcular que la lluminositat de LID-568 era molt més gran del teòricament possible, l’equip va saber que hi havia alguna cosa excepcional en les dades.
“Aquest forat negre s’està donant un festí”, afirma Julia Scharwächter, astrònoma de l’Observatori Internacional Gemini/NSF NOIRLab i coautora de l’estudi. “Aquest cas extrem demostra que un mecanisme d’alimentació ràpida per sobre del límit d’Eddington és una de les possibles explicacions de per què veiem aquests forats negres tan pesats tan aviat a l’univers”.
Aquests resultats aporten nous coneixements sobre la formació de forats negres supermassius a partir de llavors de forats negres més petits. Les teories actuals suggereixen que aquests darrers sorgeixen de la mort de les primeres estrelles de l’univers (llavors lleugeres) o del col·lapse directe de núvols de gas (llavors pesades). Fins ara, aquestes teories no tenien confirmació observacional. “El descobriment d’un forat negre amb acreció súper-Eddington suggereix que una part significativa del creixement de massa pot passar durant un únic episodi d’alimentació ràpida, independentment de si el forat negre es va originar a partir d’una llavor lleugera o pesada”, afirma Hyewon Suh.
El descobriment de LID-568 també mostra que és possible que un forat negre superi el límit d’Eddington i ofereix als astrònoms i astrònomes una gran oportunitat per estudiar com passa això. És possible que els potents fluxos de sortida observats a LID-568 actuïn com una vàlvula d’escapament per a l’excés d’energia generat per l’acreció extrema, evitant que el sistema es torni massa inestable. Per investigar més a fons els mecanismes en joc, l’equip planeja fer-ne seguiment amb observacions a través del telescopi JWST.
Més informació
“A super-Eddington-accreting black hole ~1.5 Gyr after the Big Bang observed with JWST”, en Nature Astronomy. DOI: 10.1038/s41550-024-02402-9
Oficina de Comunicació i Divulgació ICE-CSIC
Interpretació artística del forat negre que s’alimenta més ràpid a l’univers primerenc. Crèdits: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/M. Zamani