Astrónomos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y otras instituciones han detectado una mancha roja extremadamente brillante en el universo primitivo. El objeto se asemeja a una estrella gigantesca, del tamaño de nuestro sistema solar. Sin embargo, emite 100 mil millones de veces más energía de la que cualquier estrella conocida puede producir físicamente. De hecho, esta energía se acerca más a la que podría generar un agujero negro.

Los científicos concluyen que la explicación más probable para el extraño punto rojo es que se trata de una fusión entre un agujero negro y una estrella, una combinación nunca antes observada. Es probable que el objeto sea una nube de gas extremadamente densa, alimentada no por fusión nuclear convencional, sino por un agujero negro central.

Creemos que hay un agujero negro central 100 000 veces más masivo que el Sol

Rohan Naidu, primer autor (MIT)

“Nuestra imagen de este objeto está evolucionando muy rápidamente”, afirma el primer autor, Rohan Naidu, becario Hubble de la NASA y becario Pappalardo en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial (MKI) del MIT. “Creemos que hay un agujero negro central 100 000 veces más masivo que el Sol. Y alrededor de este agujero negro, habría una envoltura de gas muy extensa que parece una estrella del tamaño del sistema solar. Es enorme”.

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SINC

Pequeños puntos rojos

Si el brillante punto rojo es realmente una estrella con agujero negro, ayudaría a resolver la identidad de otros misteriosos ‘pequeños puntos rojos’ que han aparecido en casi todas las imágenes del espacio profundo que el telescopio espacial James Webb ha tomado hasta la fecha.

“Estos pequeños puntos rojos parecen estar por todas partes en el universo primitivo, pero prácticamente desaparecen en la actualidad”, afirma Naidu. “Qué son exactamente estos objetos ha sido uno de los temas más debatidos de la era del JWST”.

Una fuente singular

Los investigadores no pretendían encontrar una estrella con un agujero negro. Buscaban las galaxias más distantes y primigenias, como parte de un estudio que denominaron ‘Espejismo o Milagro’ (MoM). El equipo utilizó el telescopio espacial James Webb (JWST) para observar el espacio profundo, cuando el universo tenía unos cientos de millones de años. Su objetivo era encontrar galaxias que se hubieran formado en aquellos primeros tiempos.

Lo que parece una galaxia primitiva extremadamente brillante, un ‘milagro’, en algunos casos podría ser en realidad un ‘espejismo’

Rohan Naidu, primer autor (MIT)

“Ha habido un enigma: la aparición de muchas galaxias brillantes en épocas extremadamente tempranas”, explica Naidu. “Lo que descubrimos fue que lo que parece una galaxia primitiva extremadamente brillante, un ‘milagro’, en algunos casos podría ser en realidad un ‘espejismo’”. Mientras examinaban las imágenes del JWST en busca de fuentes interesantes para su estudio, notaron una característica que destacaba entre las demás: un punto muy rojo y muy brillante.

“Cuando vemos algo muy rojo en el universo, solemos suponer que está rodeado de polvo, como hollín o ceniza”, explica Robert Simcoe, director del Instituto Kavli del MIT. “Del mismo modo que el humo de los incendios forestales de Canadá tiñó recientemente el cielo de Boston de un rojo brillante, los objetos astronómicos también pueden parecer más rojos que su color intrínseco cuando se observan a través de una capa de polvo”.

Pero la luz presentaba otras características que no coincidían del todo con lo que los físicos esperan del polvo. El equipo también observó otro patrón extraño: la luz del punto era extremadamente brillante, excepto por debajo de ciertas longitudes de onda, donde desaparecía por completo.

Era verdaderamente singular en muchos sentidos

Rohan Naidu, primer autor (MIT)

Esta caída espectral se conoce como ‘ruptura de Balmer’, una característica tradicionalmente asociada con el gas denso que absorbe fotones en las atmósferas de estrellas de cientos de millones de años. Vega, una de las estrellas más brillantes del cielo nocturno, muestra precisamente este patrón.

“La ruptura que observamos en este objeto es la más profunda que jamás hayamos visto en ningún objeto, lo que descarta que las estrellas ‘ordinarias’ sean la fuente”, afirma Naidu. “Pero nos hizo preguntarnos si estábamos viendo un nuevo tipo de ‘atmósfera estelar’, pero a una escala espectacular”.

Es más, la luz del punto rojo prácticamente no contenía rastros de metales ni de ningún otro elemento aparte del hidrógeno y el helio. “Era verdaderamente singular en muchos sentidos”, afirma Naidu.

Fuente de energía oculta

Para descifrar cuál podría ser el origen del punto rojo, el equipo realizó simulaciones de diferentes escenarios para ver qué combinación de características astrofísicas podría producir el color característico del punto rojo.

“Empezamos a preguntarnos: ¿Se podría crear algo tan rojo usando solo hidrógeno, sin polvo?”, cuenta Simcoe. “Para nuestra sorpresa, resulta que sí, si se tiene una capa de hidrógeno extremadamente densa, tan densa que se parece más a la superficie de una estrella enorme que a una tenue nebulosa interestelar”.

Sus simulaciones apuntaban a que el punto rojo podría ser una poderosa fuente de energía oculta, rodeada por una densa envoltura de hidrógeno. De ser así, explicaría la ruptura de Balmer que bloquea la luz y la ausencia de cualquier otro elemento que no fuera hidrógeno y helio, tal como observaron los astrónomos. Sin embargo, esto no explicaría el brillo extremo del objeto.

Tienes algo que se parece un poco a una estrella, pero es 100 mil millones de veces más brillante

Rohan Naidu, primer autor (MIT)

“Tienes algo que se parece un poco a una estrella, pero es 100 mil millones de veces más brillante”, dice Naidu. “Eso significa que no puedes estar alimentándolo con fusión nuclear, que es la fuente de energía que se encuentra en el núcleo de todas las estrellas que conocemos”.

Sin embargo, los agujeros negros producen energía de forma rutinaria en las escalas que observó el equipo. Naidu y sus colegas incorporaron un agujero negro activo en acreción a sus simulaciones de la estrella envuelta en hidrógeno y variaron la masa del agujero negro, junto con otros parámetros. Luego compararon el brillo resultante de la ‘estrella con agujero negro’ simulada con el brillo que el JWST observó desde el punto rojo.

Luz pura

A partir de estas simulaciones, encontraron la coincidencia más cercana y concluyeron que el escenario más probable para explicar el punto rojo es una estrella con agujero negro. Específicamente, el objeto probablemente contiene un agujero negro central con una masa aproximadamente 100 000 veces mayor que la del Sol. Este poderoso núcleo está rodeado por una densa envoltura de hidrógeno, similar a una estrella, cuyo tamaño es similar al del sistema solar.

Cada pequeño punto rojo es consistente con ser una estrella de agujero negro, incrustada en una galaxia primitiva genérica

Rohan Naidu, primer autor (MIT)

El equipo ha bautizado el objeto como MoM-BH*-1, en honor al estudio que lo detectó, y también le ha dado el sobrenombre de ‘estrella de agujero negro – uno’, lo que implica que se trata del primero de otros objetos similares. Los investigadores sospechan que las estrellas de agujero negro podrían explicar muchos de los otros pequeños puntos rojos que aparecen en las imágenes del JWST. Estos objetos no son tan brillantes como MoM-BH*-1.

“Cada pequeño punto rojo es consistente con ser una estrella de agujero negro, incrustada en una galaxia primitiva genérica”, dice Naidu. “Pero lo especial de MoM-BH*-1 es que la estrella de agujero negro está eclipsando por completo a su galaxia anfitriona circundante, de tal manera que estamos viendo luz pura de estrella de agujero negro”.

Esta investigación fue financiada, en parte, por el Departamento de Física del MIT, la NASA y el Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial.