✨︎ Resumen (TL;DR):
- James Webb detectó señales compatibles con tres agujeros negros supermasivos activos en la galaxia J0148-4214.
- Dos fuentes se ubican cerca del centro y están separadas por 190 ± 40 parsecs, unos 620 años luz; la tercera aparece a cerca de 5,500 años luz del principal.
- Las simulaciones calculan 38.2 ± 4.2% para la unión central y 81.8 ± 1.8% para una fusión posterior, pero ese 82% depende de supuestos del modelo.
El telescopio espacial James Webb encontró evidencia de tres agujeros negros supermasivos activos en la galaxia J0148-4214, que vemos como era cuando el universo tenía unos 1,150 millones de años. Hannah Übler, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, lideró el equipo que obtuvo esas señales con NIRSpec. La escena ofrece un caso para estudiar cómo las interacciones y fusiones pudieron acelerar el crecimiento de agujeros negros tempranos, aunque Webb no fotografió tres objetos: la evidencia proviene de la luz del gas.
Webb separó tres firmas ocultas en la luz
J0148-4214 tiene un corrimiento al rojo de z = 5.0167. Su luz viajó más de 12,500 millones de años y llegó estirada hacia longitudes de onda infrarrojas, justo el rango en el que Webb trabaja con gran sensibilidad.
La observación decisiva llegó de NIRSpec en modo de unidad de campo integral. La espectroscopia de campo integral es una técnica que registra información espectral en distintos puntos de una imagen, en lugar de reunir toda la luz de la galaxia en un solo espectro.
En esos datos aparecieron tres componentes anchos de hidrógeno H-alfa. A partir de su anchura, los investigadores midieron velocidades de entre 430 y 2,920 kilómetros por segundo, mientras que el doblete de oxígeno ionizado no mostró una señal ancha equivalente.
Ese patrón suele aparecer en la región de líneas anchas que rodea a un agujero negro activo. El equipo examinó explicaciones alternativas, entre ellas supernovas, choques, vientos, estrellas masivas y una sola región central con geometría asimétrica.
Los mapas por canales de longitud de onda colocaron los dos componentes centrales en posiciones distintas y al tercero al noroeste, separado de la fuente principal. El conjunto es compatible con tres agujeros negros activos y esa interpretación es la que mejor encaja con los datos. No equivale a una fotografía directa de tres objetos.
Steven Finkelstein, astrónomo de la Universidad de Texas en Austin que no participó en el estudio, explicó a The New York Times que la velocidad del hidrógeno respalda la presencia de agujeros negros supermasivos en crecimiento. El artículo, revisado por pares y publicado en Astronomy & Astrophysics, considera necesarias observaciones con mayor resolución espacial y espectral para precisar la dinámica del sistema.
Las tres masas forman un sistema desigual
Las estimaciones nominales muestran una diferencia amplia entre los tres objetos:
- Agujero negro I: cerca de 80 millones de masas solares, ubicado en el centro y usado como punto de referencia.
- Agujero negro II: cerca de 600,000 masas solares, también en el centro y a 190 ± 40 parsecs, unos 620 años luz, del principal.
- Agujero negro III: cerca de 2 millones de masas solares, en la periferia noroeste y a 1.7 kiloparsecs, cerca de 5,500 años luz, del principal.
El equipo estimó para J0148-4214 una masa estelar cercana a 1,300 millones de masas solares. Con los valores centrales del análisis, el agujero negro mayor equivale por sí solo a alrededor de 6% de esa masa. Ambas mediciones tienen incertidumbres considerables.
Los investigadores calcularon las masas a partir de la luminosidad y la anchura de H-alfa, mediante relaciones calibradas en el universo local. El artículo asigna incertidumbres de 0.4 a 0.5 dex y advierte que aplicar esas relaciones a núcleos activos tan antiguos puede introducir errores sistemáticos todavía mayores.
Las cifras representan estimaciones de orden físico, no pesajes exactos. El objeto central más pequeño también presenta la mayor tasa de alimentación. Su valor nominal supera el límite de Eddington, el punto teórico en el que la presión de la radiación debería frenar la entrada de más materia bajo supuestos simplificados.
La incertidumbre de esa tasa es amplia. Los autores también advierten que las relaciones usadas para estimar masa y luminosidad pueden comportarse de otra manera en núcleos activos tan antiguos.
La pareja central tardaría cientos de millones de años
Los dos agujeros negros centrales están separados por 190 ± 40 parsecs. Si describieran una órbita circular, todavía no estarían ligados gravitacionalmente.
Aun así, su interacción con estrellas, gas y materia oscura probablemente ya les hace perder energía orbital mediante fricción dinámica. Un cálculo simplificado sitúa entre 550 y 660 millones de años el tiempo para que el objeto menor se acerque al principal, según se use la masa dinámica o la masa estelar estimada de la galaxia.
El modelo no representa por completo el gas, un componente que podría acortar el proceso. Describir a los dos objetos como si estuvieran a punto de fusionarse comprime cientos de millones de años en una sola frase.
El destino del tercer agujero negro resulta todavía menos claro. Si cae hacia el centro, el mismo tipo de cálculo arroja un plazo de entre 5,000 y 5,900 millones de años. Una interacción de tres cuerpos o el retroceso gravitacional de una fusión anterior también pudo expulsarlo del núcleo.
Julie Comerford, astrofísica de la Universidad de Colorado Boulder que no participó en la investigación, consideró posibles las dos rutas en declaraciones recogidas por The New York Times.
El 82% de LISA depende del modelo
El equipo simuló si las fusiones descendientes de este sistema podrían ser detectadas por LISA. LISA es un futuro observatorio espacial que detectará ondas gravitacionales.
En 100 realizaciones de las masas medidas y con orientaciones aleatorias, el análisis calculó una probabilidad de 38.2 ± 4.2% para la unión de la pareja central. También obtuvo 81.8 ± 1.8% para una fusión posterior entre el remanente central y el tercer agujero negro.
El 81.8%, que suele redondearse a 82%, no representa la probabilidad de que los tres objetos vayan a fusionarse. El cálculo presupone que las fusiones ocurren después de los tiempos de fricción dinámica, que los agujeros negros no ganan más masa y que sus giros y precesión pueden ignorarse.
Además, el análisis trata las dos uniones por separado. Cuando los investigadores cambian la masa utilizada para estimar el tiempo de caída, la segunda probabilidad baja a 78.2%.
Un caso para buscar más sistemas triples
La acumulación de gas es el mecanismo dominante para hacer crecer agujeros negros masivos. Una fusión concentra en un solo objeto buena parte de la masa de dos predecesores.
La presencia de tres candidatos activos en una galaxia tan antigua muestra que las condiciones necesarias para esa cadena ya existían poco más de 1,000 millones de años después del Big Bang. Un tercer cuerpo también puede intercambiar energía y momento angular con una pareja, y así acelerar etapas que de otro modo podrían frenarse.
J0148-4214 no demuestra que los sistemas triples fueran comunes en todo el universo temprano. Sí ofrece un blanco concreto para buscar más casos con NIRSpec. Algunos espectros atribuidos a un solo núcleo activo complejo podrían esconder varias fuentes.
La evidencia apunta a tres núcleos activos, mientras que la historia de sus posibles fusiones todavía depende de una caracterización con mayor resolución espacial y espectral.
