Desde su despliegue, el Telescopio Espacial James Webb (JWST) ha alterado fundamentalmente nuestra comprensión del universo temprano al capturar imágenes de objetos misteriosos, compactos y extremadamente rojos conocidos coloquialmente como "Pequeños Puntos Rojos" (LRDs). Durante años, los astrónomos debatieron si estas fuentes de alto desplazamiento al rojo (encontradas entre $z \sim 2$ y $z \sim 9$) eran galaxias diminutas y ultradensas o núcleos galácticos activos (AGN) oscurecidos. Un nuevo y revolucionario estudio liderado por investigadores como Gabriel Brammer, Priyamvada Natarajan y Sandro Tacchella propone una tercera posibilidad más exótica: estos objetos son estrellas de agujero negro (BH*s), una fase transitoria en la que un agujero negro en crecimiento está envuelto dentro de una densa y masiva cubierta de gas que eclipsa por completo a su galaxia anfitriona.
¿Qué encontró el JWST en el universo temprano?
El Telescopio Espacial James Webb (JWST) descubrió una población de objetos compactos con un alto desplazamiento al rojo conocidos como "Pequeños Puntos Rojos" que aparecen notablemente rojos en las longitudes de onda ópticas en reposo. Estas fuentes, que datan de apenas unos cientos de millones de años después del Big Bang, exhiben luminosidades extremas y estructuras compactas que desafían los modelos existentes de formación de galaxias y crecimiento de agujeros negros.
El descubrimiento de estos objetos fue inesperado porque sus firmas espectrales no se alineaban claramente con los cuerpos celestes conocidos. Inicialmente, el debate se centró en si la rojez era causada por poblaciones estelares antiguas en una galaxia quiescente o por un intenso oscurecimiento por polvo alrededor de un agujero negro central. El equipo de investigación utilizó espectros de alta calidad de NIRSpec/PRISM de una muestra de 98 LRD para profundizar en estos "Pequeños Puntos Rojos", buscando identificar el mecanismo específico que impulsa su intensa producción de energía.
Para aislar la verdadera naturaleza de estos objetos, los investigadores desarrollaron un esquema novedoso para separar el motor central de la galaxia anfitriona circundante. Partieron del supuesto de que la línea de emisión [OIII] 5008Å surge exclusivamente del medio interestelar de la galaxia anfitriona y no del núcleo compacto. Al restar la contribución de la galaxia anfitriona basándose en esta línea, el equipo reveló la distribución espectral de energía (SED) subyacente del "corazón" del LRD, lo que proporcionó la primera evidencia a nivel de población de estrellas de agujero negro.
¿Son los Pequeños Puntos Rojos en realidad estrellas de agujero negro?
La evidencia sugiere que muchos Pequeños Puntos Rojos están, de hecho, alimentados por estrellas de agujero negro, que son singularidades centrales envueltas en espesas y opacas cubiertas de gas. Tras restar la luz de la galaxia anfitriona, los investigadores descubrieron que el núcleo restante se asemeja a una SED de tipo cuerpo negro con una temperatura de aproximadamente 4,050 K, mucho más consistente con una envoltura gaseosa que con una galaxia tradicional.
El modelo de "estrella de agujero negro", a menudo denominado cuasiestrella, describe un estado único de la materia en el que un agujero negro crece a un ritmo acelerado dentro de una enorme envoltura hidrostática. El estudio encontró que el apilamiento mediano de estos LRD tras la sustracción de la anfitriona muestra un salto de Balmer más de dos veces más fuerte que los encontrados en galaxias quiescentes masivas. Esta característica específica es una "firma distintiva" de las envolturas de gas denso, en lugar de la luz de estrellas viejas, lo que indica que el agujero negro es el principal impulsor de la luz observada.
Según los hallazgos de Brammer, Natarajan y Tacchella, estas estrellas de agujero negro son increíblemente luminosas, con una luminosidad bolométrica de $\log(L_{\rm{bol}}) \sim 43.9$ erg s$^{-1}$ y un radio efectivo de aproximadamente 1,300 au. El estudio indica que en un LRD típico, la estrella de agujero negro representa:
- Aproximadamente el 20% de la emisión ultravioleta (UV).
- Alrededor del 50% de la luz en el salto de Balmer.
- Casi el 90% de la luz en longitudes de onda más largas que H$\alpha$.
¿Cómo crece un agujero negro dentro de una envoltura de gas?
Un agujero negro crece dentro de una envoltura de gas al acretar masa a ritmos que superan el límite estándar de Eddington, mientras que el gas circundante atrapa la radiación resultante. Esto crea un capullo denso y presurizado donde la atracción hacia adentro de la gravedad se equilibra con la presión hacia afuera de la energía del agujero negro, lo que resulta en una estructura estable pero transitoria similar a una estrella.
Los datos espectroscópicos respaldan este modelo de crecimiento "encubierto" mediante la observación de un pronunciado decremento de Balmer ($H\alpha/H\beta > 10$). Una relación tan alta sugiere un entorno altamente oscurecido y denso, donde el polvo y el gas enrojecen significativamente la luz que escapa del interior. Además, el equipo detectó numerosas características sensibles a la densidad, incluyendo líneas de emisión de FeII, HeI y OI, que rara vez se ven en galaxias estándar pero que son características de nubes de gas de alta densidad que rodean una fuente de energía potente.
La investigación postula que estas estrellas de agujero negro residen preferentemente en galaxias de baja masa ($M_{\star} \sim 10^{8} M_{\odot}$) que han experimentado recientemente intensos brotes estelares. La presencia de anchuras equivalentes de líneas de emisión extremas —como [OIII] 5008Å a 1100Å y CIII] a 12Å— sugiere un fuerte vínculo entre la formación estelar rápida y el nacimiento de estas semillas masivas de agujeros negros. Este entorno proporciona la reserva necesaria de gas para mantener la envoltura durante la expansión inicial del agujero negro.
Implicaciones para el crecimiento temprano de los agujeros negros supermasivos
El descubrimiento de la fase de estrella de agujero negro tiene profundas implicaciones sobre cómo se formaron tan rápidamente los primeros agujeros negros supermasivos en el universo. Los modelos de acreción estándar a menudo tienen dificultades para explicar cómo los agujeros negros alcanzaron miles de millones de masas solares dentro de los primeros mil millones de años de historia cósmica. Sin embargo, el mecanismo de la estrella de agujero negro permite un crecimiento rápido, "super-Eddington", mientras el objeto permanece oscurecido, efectivamente oculto a la vista hasta que la envoltura finalmente se disipa.
Los investigadores estiman que estos objetos tienen un ciclo de actividad relativamente corto de aproximadamente el 1%, lo que implica una vida útil de unos 10 millones de años. A pesar de esta transitoriedad, los datos sugieren que las estrellas de agujero negro son tan comunes en el universo temprano que casi todos los agujeros negros masivos que vemos hoy pueden haber pasado alguna vez por esta fase de "Pequeño Punto Rojo". Esto sugiere que los LRD no son un callejón sin salida evolutivo, sino más bien un "estirón de crecimiento" universal para los agujeros negros.
De cara al futuro, las próximas observaciones con el Telescopio Espacial James Webb probablemente se centrarán en los "AGN azules de líneas anchas", que los investigadores creen que podrían ser la fase que sigue a la estrella de agujero negro una vez que la densa envoltura de gas comienza a despejarse. Al estudiar la transición de los "puntos" envueltos en gas a los cuásares luminosos y desenmascarados, los astrónomos esperan mapear el ciclo de vida completo de los habitantes más masivos del universo desde el amanecer cósmico hasta nuestros días.
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