A medida que se hacen públicos los datos del Telescopio Espacial James Webb de la NASA, los investigadores buscan en sus archivos rarezas cósmicas inadvertidas. Al examinar imágenes del sondeo COSMOS-Web, dos investigadores, Pieter van Dokkum, de la Universidad de Yale, y Gabriel Brammer, de la Universidad de Copenhague, descubrieron un objeto inusual al que apodaron la Galaxia del Infinito.

Presenta una forma sumamente inusual: dos núcleos rojos muy compactos, cada uno rodeado por un anillo, lo que le da la forma del símbolo del infinito. El equipo cree que se formó por la colisión frontal de dos galaxias de disco. Observaciones posteriores mostraron que la Galaxia del Infinito alberga un agujero negro activo y supermasivo. Lo sumamente inusual es que el agujero negro se encuentra entre los dos núcleos, dentro de una vasta extensión de gas. El equipo propone que el agujero negro se formó allí mediante el colapso directo de una nube de gas, un proceso que podría explicar algunos de los agujeros negros increíblemente masivos que Webb ha encontrado en el universo primitivo.

Aquí, Pieter van Dokkum, autor principal de un artículo revisado por pares que describe su descubrimiento inicial e investigador principal de las observaciones posteriores del Webb, explica por qué este objeto podría ser la mejor evidencia hasta el momento de una nueva forma de formación de agujeros negros.

Todo es inusual en esta galaxia. No solo tiene un aspecto muy extraño, sino que también contiene un agujero negro supermasivo que atrae una gran cantidad de material. La mayor sorpresa fue que el agujero negro no se encontraba dentro de ninguno de los dos núcleos, sino en el centro. Nos preguntamos: ¿Cómo podemos entender esto?

Encontrar un agujero negro que no se encuentra en el núcleo de una galaxia masiva es en sí mismo inusual, pero lo que es aún más inusual es la historia de cómo pudo haber llegado allí. Probablemente no solo llegó, sino que se formó allí. Y bastante recientemente. En otras palabras, creemos estar presenciando el nacimiento de un agujero negro supermasivo, algo nunca antes visto.

La formación de los agujeros negros supermasivos es una pregunta que se mantiene desde hace tiempo. Existen dos teorías principales: las "semillas ligeras" y las "semillas pesadas". En la teoría de las semillas ligeras, se parte de pequeños agujeros negros que se forman cuando el núcleo de una estrella colapsa y esta explota como supernova. Esto podría resultar en un agujero negro con una masa de hasta unos 1000 soles. Se forman muchos de ellos en un espacio reducido y se fusionan con el tiempo para convertirse en un agujero negro mucho más masivo. El problema es que este proceso de fusión lleva tiempo, y el Webb ha encontrado agujeros negros increíblemente masivos en épocas increíblemente tempranas del universo, posiblemente incluso demasiado tempranas para que este proceso los explique.

La segunda posibilidad es la teoría de la semilla pesada, según la cual un agujero negro mucho más grande, quizás hasta un millón de veces la masa de nuestro Sol, se forma directamente a partir del colapso de una gran nube de gas. Inmediatamente se forma un agujero negro gigante, por lo que es mucho más rápido. Sin embargo, el problema de formar un agujero negro a partir de una nube de gas es que las nubes de gas tienden a formar estrellas al colapsar, en lugar de un agujero negro, por lo que hay que encontrar una forma de evitarlo. No está claro que este proceso de colapso directo pueda funcionar en la práctica.

Al observar los datos de la Galaxia del Infinito, creemos haber descifrado la historia de cómo pudo haber sucedido esto aquí. Dos galaxias de disco colisionan, formando las estructuras de anillos estelares que vemos. Durante la colisión, el gas dentro de estas dos galaxias choca y se comprime. Esta compresión podría ser suficiente para formar un nudo denso, que luego colapsó en un agujero negro.

Existe bastante evidencia circunstancial de esto. Observamos una gran franja de gas ionizado, específicamente hidrógeno desprovisto de sus electrones, justo en el centro entre los dos núcleos, rodeando el agujero negro supermasivo. También sabemos que el agujero negro está creciendo activamente; vemos evidencia de ello en los rayos X del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y en la radio del Very Large Array. Sin embargo, la pregunta es: ¿se formó allí?

Se me ocurren otras dos posibilidades. Primero, podría tratarse de un agujero negro desbocado expulsado de una galaxia y que casualmente esté pasando por ella. Segundo, podría tratarse de un agujero negro en el centro de una tercera galaxia en la misma ubicación del cielo. Si estuviera en una tercera galaxia, esperaríamos ver la galaxia circundante a menos que fuera una galaxia enana débil. Sin embargo, las galaxias enanas no suelen albergar agujeros negros gigantes.

Si el agujero negro fuera un escape, o si se encontrara en una galaxia no relacionada, esperaríamos que tuviera una velocidad muy diferente a la del gas de la Galaxia del Infinito. Nos dimos cuenta de que esta sería nuestra prueba: medir la velocidad del gas y la del agujero negro y compararlas. Si las velocidades son cercanas, con una diferencia de quizás 50 kilómetros por segundo (30 millas por segundo), entonces resulta difícil argumentar que el agujero negro no se formó a partir de ese gas.

Solicitamos y recibimos tiempo discrecional del director para dar seguimiento a este objetivo con el Webb, y nuestros resultados preliminares son emocionantes. En primer lugar, se confirma la presencia de una distribución extendida de gas ionizado entre los dos núcleos. En segundo lugar, el agujero negro se encuentra perfectamente en medio de la distribución de velocidades de este gas circundante, como era de esperar si se formó allí. ¡Este es el resultado clave que buscábamos!

En tercer lugar, como una ventaja inesperada, resulta que ambos núcleos galácticos también albergan un agujero negro supermasivo activo. Por lo tanto, este sistema tiene tres agujeros negros activos confirmados: dos muy masivos en ambos núcleos galácticos y el que se encuentra entre ellos, que podría haberse formado allí.

No podemos afirmar con certeza que hayamos encontrado un agujero negro colapsado directamente. Pero sí podemos afirmar que estos nuevos datos refuerzan la hipótesis de que estamos viendo un agujero negro recién nacido, a la vez que descartan algunas de las explicaciones contradictorias. Seguiremos analizando los datos e investigando estas posibilidades.

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