JWST pesa un agujero negro inactivo y revela una anomalía en el Universo joven

Generalmente, encontramos a los agujeros negros supermasivos debido al exceso de luz en sus alrededores. En MRG-M0138 el objeto central casi no devora materia, pero su gravedad deja una firma en las estrellas que se mueven alrededor ocurriendo sin tanto alboroto lumínico.

Hace no mucho, el telescopio espacial James Webb (JWST) observó una galaxia que se encuentra a un desplazamiento al rojo (redshift), de 1.95 en una etapa temprana del Universo. En ese entonces muchas galaxias masivas ya habían frenado su formación estelar.

Las mediciones lejanas suelen apoyarse en cuásares o núcleos activos, donde el gas brillante delata la presencia del agujero negro, métodos que son útiles, pero dependen de líneas de emisión y luminosidades que pueden introducir incertidumbres muy grandes en la masa calculada.

Por lo que un nuevo estudio tomó otra ruta a través de “pesar” un agujero negro inactivo mediante dinámica estelar. En lugar de mirar cuánto brilla, se midió en qué forma la gravedad altera el movimiento de las estrellas, en una galaxia distante, apagada y difícil de estudiar.

Lentes gravitacionales: las nuevas básculas del Universo

La clave fue una lente gravitacional producida por el cúmulo MACS J0138.0–2155, situado delante de MRG-M0138. Allí, la gravedad amplificó la galaxia unas 29 veces, aumentando su brillo y tamaño aparente hasta permitir explorar una región central que normalmente sería inaccesible para los telescopios actuales.

Combinando espectroscopia de campo integral del instrumento NIRSpec, con imágenes de la NIRCam del JWST e imágenes del Hubble, se reconstruyó la galaxia en su plano original, corrigiendo la distorsión producida por la lente gravitacional.

Al reconstruir la galaxia, se encontraron con una estructura compleja:

• Un disco inclinado que aporta la mayor parte de la luz y un bulbo compacto en el centro.
• Sus estrellas alcanzan una dispersión de velocidades de 398 kilómetros por segundo, señal de un núcleo gravitacionalmente extremo y muy denso.

Para convertir esos movimientos en masa, se usaron modelos de dinámica estelar llamados Jeans Anisotropic Modeling, además de probar combinaciones de estrellas, materia oscura, orientación, anisotropía y una masa central compacta, hasta reproducir el mapa observado de velocidades estelares con la mayor precisión física posible.

Qué revelan las observaciones

El resultado principal es un valor de 6,000 millones de masas solares para el agujero negro central. La región donde su gravedad domina, llamada esfera de influencia, mide unos 164 pársecs (~535 años luz) y quedó marginalmente resuelta, algo excepcional para una galaxia tan lejana, compacta y débil.

Las señales de actividad nuclear son muy débiles, de hecho, no se detectó emisión de rayos X con Chandra, y las líneas de hidrógeno limitan la acreción a una razón de Eddington menor que una cienmilésima parte, típica de núcleos apagados cercanos.

La comparación con galaxias locales dejó una tensión importante, el agujero negro es unas 12 veces más masivo de lo esperado para el bulbo y al mismo tiempo coincide con la relación basada en la dispersión de velocidades estelares, que parece más estable en el tiempo.

A futuro, MRG-M0138 podría convertirse en una elíptica masiva mediante fusiones pobres en gas. Esas colisiones añadirían estrellas y harían crecer el bulbo, pero alimentarían poco al agujero negro, acercando la galaxia a relaciones locales parecidas a las de Messier 87, de forma gradual y natural.

Una medición que cambia nuestra forma de mirar

Esta medición demuestra que podemos estudiar a los agujeros negros silenciosos y que la combinación del JWST con lentes gravitacionales reduce nuestra dependencia de cuásares brillantes, que dificultan entender las poblaciones de galaxias masivas en etapas tempranas del Universo.

Ahora entendemos que la coevolución entre galaxias y agujeros negros no es una sincronía perfecta. En algunos sistemas, el agujero negro pudo crecer primero en episodios breves e intensos, mientras que la estructura estelar se termina de reorganizar tiempo después, mediante varias fusiones.

El parecido con las galaxias cercanas añade otra pieza al rompecabezas ya que estos objetos podrían ser descendientes, casi intactos, de galaxias tempranas como MRG-M0138, que apagaron su formación estelar y evitaron fusiones importantes durante miles de millones de años tras el inicio del Universo.

Debemos aclarar que este hallazgo no cierra la discusión, pero cambia la escala de lo medible. Mientras sigamos encontrando más galaxias magnificadas, podremos reconstruir con mayor precisión cuándo crecieron los primeros agujeros negros supermasivos y cómo transformaron sus galaxias anfitrionas.