El corrimiento al rojo, o desplazamiento de la luz hacia longitudes de onda más largas provocado por la expansión del universo, es la herramienta que permite datar el sistema: cuanto mayor es el valor de z, más antigua y lejana es la fuente. Un z=5,02 corresponde a una época en que el cosmos tenía menos de una décima parte de su edad actual, estimada en unos 13.800 millones de años según las mediciones del satélite Planck de la Agencia Espacial Europea. Observar tres agujeros negros activos en ese momento equivale a asomarse a una fase muy temprana de la construcción de las galaxias.
El equipo, en el que también participa el investigador Giovanni Mazzolari, del propio MPE, identificó los tres objetos gracias a firmas espectrales producidas por átomos de hidrógeno acelerados a velocidades extremas por la gravedad de cada agujero negro. En la región central de la galaxia, el espectro mostraba un patrón inusualmente complejo que, según los autores, se ajustaba mejor a la existencia de dos fuentes muy próximas entre sí que a una sola.
Para separar ambas señales, los investigadores recurrieron a la espectroastrometría, una técnica que detecta desplazamientos espaciales mínimos en las líneas de emisión de un objeto astronómico y así infiere la posición relativa de fuentes que no pueden resolverse como puntos independientes con la óptica convencional. Ese mismo análisis, aplicado a las regiones más externas de la galaxia, reveló la existencia de un tercer agujero negro activo, más alejado del núcleo.
Según las estimaciones del equipo, los dos agujeros negros centrales están separados por unos 620 años luz en proyección, mientras que el tercero se ubica a unos 5.500 años luz del centro galáctico. Las masas calculadas rondan los 80 millones, 0,6 millones y 2 millones de masas solares respectivamente, con un dato llamativo: el objeto más masivo no es el que crece más rápido, ya que el de 0,6 millones de masas solares acumula materia a mayor ritmo que su vecino de 80 millones.
La galaxia J0148-4214 tiene, de acuerdo con los cálculos del estudio, una masa estelar total equivalente a unos 1.300 millones de soles, lo que implica que los tres agujeros negros concentran una fracción considerable de la masa del sistema. «Los datos del JWST nos permitieron no solo identificar los tres agujeros negros, sino también estimar sus masas, tasas de acreción y la masa estelar de la galaxia», explica Mazzolari, segundo autor del trabajo, un nivel de detalle inusual para una galaxia de esta antigüedad.
Qué implica para la teoría de formación de agujeros negros
La coexistencia de tres agujeros negros supermasivos activos en una galaxia tan temprana constituye, según los autores, la primera evidencia observacional de este tipo en el universo distante. El dato es relevante porque los modelos de formación de estructuras cósmicas —desarrollados desde los trabajos teóricos de los años setenta y ochenta sobre colapso gravitacional del gas primordial— no habían confirmado con observación directa que múltiples agujeros negros masivos pudieran coexistir y crecer simultáneamente en una misma galaxia tan poco después del Big Bang. Los astrofísicos manejan desde hace décadas dos hipótesis principales sobre su origen: el crecimiento progresivo a partir de semillas estelares mediante fusiones sucesivas, o el colapso directo de nubes de gas masivas sin pasar por una fase estelar previa.
La detección de tres objetos activos y próximos en J0148-4214 apoya, según Übler, la idea de que en el universo primitivo existieron mecanismos particularmente eficaces para concentrar masa en pocos puntos. «Esto sugiere que los procesos en el universo primitivo fueron eficientes para agrupar agujeros negros masivos, preparando el terreno para las fusiones de agujeros negros masivos que esperamos detectar con futuros observatorios de ondas gravitacionales», señala la investigadora.
Los dos agujeros negros centrales, separados por apenas 620 años luz, se encuentran en una configuración compatible con una futura fusión, aunque el estudio no fija un plazo ni confirma que vaya a producirse necesariamente. De materializarse en algún momento de la evolución de la galaxia, un evento de estas características generaría ondas gravitacionales de muy baja frecuencia, del tipo que la futura misión LISA de la Agencia Espacial Europea, prevista para la próxima década, está diseñada para detectar.
Del cazado de cuásares al mapeo del universo temprano
La observación de agujeros negros supermasivos en galaxias del universo temprano no es nueva, pero sí lo es la detección de tres en un mismo sistema. Desde la entrada en servicio del telescopio espacial James Webb en 2022, financiado conjuntamente por la NASA, la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Canadiense, los astrónomos han identificado numerosos agujeros negros supermasivos en galaxias con corrimientos al rojo superiores a z=5, ampliando de forma notable el catálogo de objetos conocidos en esas épocas remotas respecto a lo que permitían instrumentos anteriores como el Hubble, operativo desde 1990.
Antes del Webb, la detección de agujeros negros en galaxias tan lejanas dependía casi exclusivamente de cuásares extremadamente luminosos, objetos raros y poco representativos de la población general de galaxias primitivas. La mayor sensibilidad infrarroja del nuevo telescopio, unida a técnicas como la espectroastrometría empleada en este estudio, ha permitido acceder a galaxias más ordinarias y detectar en ellas actividad de acreción que antes resultaba invisible. El MPE, con sede en Garching, cerca de Múnich, participa habitualmente en programas de observación del Webb centrados en el universo primitivo, en colaboración con centros europeos y estadounidenses.
El hallazgo, sujeto al escrutinio habitual de la comunidad científica mediante revisión por pares y estudios de réplica, se suma al conjunto de evidencias que en los últimos años han obligado a revisar los plazos y mecanismos de formación de agujeros negros supermasivos en el universo temprano. Los próximos pasos previsibles incluyen nuevas observaciones espectroscópicas de J0148-4214 con mayor resolución y la búsqueda de sistemas similares en otras galaxias con corrimientos al rojo comparables, un trabajo que los autores señalan como prioritario para los próximos ciclos de observación del Webb.
