Descobert el forat negre que s’alimenta amb més rapidesa a l’univers primerenc

• Les observacions realitzades amb el telescopi JWST i l’Observatori de raigs X Chandra revelen un forat negre de baixa massa que sembla estar consumint matèria a una velocitat 40 vegades superior al límit teòric
• El ‘festí’ d’aquest forat negre podria ajudar la comunitat científica a explicar com els forats negres supermassius van créixer tan ràpidament a l’univers primerenc
• Mar Mezcua, investigadora de l’IEEC a l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC), participa en aquest estudi publicat a Nature Astronomy

Un equip liderat pel centre nord-americà NOIRLab de la Fundació Nacional de Ciències (NSF, per les sigles en anglès) ha descobert un forat negre 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 compta amb la participació de Mar Mezcua, investigadora de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) a l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC), i 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 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, observat tan sols 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.

El forat negre 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 és invisible 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-568 ens va cridar l’atenció per la seva alta brillantor en raigs X», diu Mar Mezcua, investigadora de l’IEEC a l’ICE-CSIC i coautora de l’estudi.

Si bé LID-568 va destacar dins de la mostra per la seva intensa emissió de raigs X, la seva posició exacta no es va poder determinar només a partir d’aquestes observacions, cosa que va generar inquietuds sobre el centrament correcte de l’objectiu en el camp de visió del telescopi JWST. Així doncs, 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 de l’instrument NIRSpec del telescopi JWST. Aquest instrument pot obtenir un espectre per a cada píxel del camp de visió de l’instrument en lloc de limitar-se a un segment reduït.

L’instrument NIRSpec del JWST va permetre l’equip d’obtenir una vista completa de l’objectiu i la seva regió circumdant, fet que va portar al descobriment inesperat de potents fluxos 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 pesants 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 pesants). 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 pesant», 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, cosa que evitaria que el sistema es tornés massa inestable. Per investigar més a fons els mecanismes en joc, l’equip planeja fer-ne seguiment amb observacions del telescopi JWST.

Nota de premsa feta en col·laboració amb l’Institut de Ciències de l’Espai.

Aquesta recerca es presenta en un article titulat «A super-Eddington-accreting black hole ~1.5 Gyr after the Big Bang observed with JWST», de Hyewon Suh, Julia Scharwächter et al., que apareixerà a la revista Nature Astronomy el 4 de novembre de 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02402-9.

• IEEC
• ICE-CSIC
• JWST
• NSF NOIRLab

Contactes

Autor Principal a l’IEEC

Mar Mezcua

Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC)
Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC)
Correu electrònic: mezcua@ieec.cat, mezcua@ice.csic.es

Sobre l'IEEC

L’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) promou i coordina la recerca i el desenvolupament tecnològic espacial a Catalunya en benefici de la societat. L’IEEC fomenta les col·laboracions tant a nivell local com mundial, i és un eficient agent de transferència de coneixement, innovació i tecnologia. Com a resultat de més de 25 anys de recerca d’alta qualitat, duta a terme en col·laboració amb les principals organitzacions internacionals, l’IEEC es troba entre els millors centres d’investigació internacionals centrats en àrees com: l’astrofísica, la cosmologia, les ciències planetàries i l’observació de la Terra. La divisió d’enginyeria de l’IEEC desenvolupa instrumentació per a projectes terrestres i espacials, i té una àmplia experiència treballant amb organitzacions privades i públiques del sector aeroespacial així com altres sectors d’innovació.

L’IEEC és una fundació del sector públic sense ànim de lucre, fundada el febrer de 1996. Està regit per un Patronat compost per la Generalitat de Catalunya, la Universitat de Barcelona (UB), la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC), i el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). L’IEEC és també un centre CERCA (Centres de Recerca de Catalunya).