Un agujero negro ‘mata de hambre’ a su galaxia anfitriona

Un equipo internacional, codirigido por el Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA) y la Universidad de Cambridge (Reino Unido), ha utilizado el telescopio espacial James Webb (JWST) para observar una galaxia parecida en masa a la Vía Láctea pero existente en el universo temprano, unos dos mil millones de años después del Big Bang.

Como la mayoría de las galaxias grandes, tiene un agujero negro supermasivo en su centro. Sin embargo, esta galaxia está esencialmente “muerta”, es decir, prácticamente ha dejado de formar nuevas estrellas.

“Basándonos en observaciones anteriores, sabíamos que esta galaxia estaba apagada, decimos que es quiescente porque no está formando muchas estrellas, y esperamos que haya un vínculo entre el agujero negro y el final de la formación estelar”, señala Francesco D’Eugenio del Instituto Kavli de Cosmología de Cambridge.

“Sin embargo –añade–, hasta que el Webb voló, no habíamos podido estudiar esta galaxia con suficiente detalle para confirmar ese vínculo, y no sabíamos si este estado quiescente es temporal o permanente”.

Hasta que el Webb voló, no pudimos estudiar esta galaxia con un detalle suficiente para confirmar el vínculo entre su agujero negro supermasivo y el final de la formación estelar

Francesco D’Eugenio (Cambridge)

D’Eugenio es uno de los dos autores principales del estudio, publicado esta semana en la revista Nature Astronomy, y la galaxia, oficialmente llamada GS-10578, la ha apodado ‘galaxia de Pablo’ en honor al otro coautor, Pablo G. Pérez-González, investigador del Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA) que decidió observarla en detalle.

Esta galaxia es demasiado masiva para un período tan temprano del universo. Su masa total es aproximadamente 200 mil millones de veces la masa de nuestro Sol, y la mayoría de sus estrellas se formaron hace entre 12,5 y 11,5 mil millones de años, cuando el universo tenía un 15 % de su edad actual.

La mayoría de las estrellas de la galaxia se formaron hace entre 12,5 y 11,5 mil millones de años, cuando el universo tenía un 15% de su edad actual

Pérez-González explica cómo se planificó este proyecto: “Queríamos entender cómo se formaron las galaxias cercanas que son tan o más masivas que la Vía Láctea, y para eso buscamos con el Hubble posibles progenitores (de hecho, análogos de los progenitores de la Vía Láctea o de la galaxia de Andrómeda) existentes en diferentes épocas de la historia del universo.

“GS-10578 –continúa–, era lo que llamábamos una ‘pepita azul’, un posible progenitor muy interesante que se encuentra en una etapa evolutiva donde una enorme cantidad de estrellas, tantas como las que hoy se ven en la Vía Láctea, se formaron muy temprano y rápidamente en un volumen muy pequeño, con una enorme densidad. Decidimos que era una galaxia súperinteresante para observarla con JWST”.

Interés de la remota galaxia muerta

“En el universo primitivo, la mayoría de las galaxias están formando muchas estrellas, por lo que es interesante ver una galaxia muerta tan masiva en este período”, apunta otro de los autores, el profesor Roberto Maiolino, también del Instituto Kavli de Cosmología, “y si la galaxia tuvo tiempo suficiente para alcanzar este tamaño tan masivo, cualquier proceso responsable del apagado de la formación estelar probablemente debe ocurrir relativamente rápido”.

Utilizando el Webb, los investigadores detectaron que esta galaxia está expulsando grandes cantidades de gas a velocidades de unos 1.000 kilómetros por segundo, lo suficientemente rápido como para escapar de la atracción gravitacional de la galaxia. Estos vientos rápidos están siendo “expulsados” de ella por el agujero negro.

Utilizando el Webb, los investigadores detectaron que esta galaxia está expulsando grandes cantidades de gas a velocidades de unos 1.000 kilómetros por segundo

Al igual que otras galaxias con agujeros negros supermasivos activos, la “galaxia de Pablo” tiene rápidos vientos de gas caliente, pero estas nubes de gas son tenues y tienen poca masa.

Webb detectó la presencia de una nueva componente del viento, que no podía observarse con telescopios anteriores. Este gas es más frío, lo que significa que es más denso y, sobre todo, no emite luz. Webb, con su sensibilidad superior, puede ver estas nubes de gas oscuras porque están en frente y bloquean parte de la luz de la galaxia, que está detrás de ellas.

Sin material para nuevas estrellas

La masa de gas que se expulsa es mayor que la que la galaxia necesitaría para seguir formando nuevas estrellas. En esencia, el agujero negro está matando de hambre a la galaxia.

“Encontramos al culpable”, señala D’Eugenio: “El agujero negro está matando a esta galaxia y manteniéndola inactiva, al cortar la fuente de ‘alimento’ que la galaxia necesita para formar nuevas estrellas”.

El agujero negro está matando a esta galaxia y manteniéndola inactiva, al cortar la fuente de ‘alimento’ que necesita para formar nuevas estrellas”

Francesco D’Eugenio (Cambridge)

Pérez-González añade: “Las estrellas que vemos en GS-10578 no son muy jóvenes, a eso nos referimos cuando decimos que la formación estelar se ha apagado. Sin embargo, aún persisten algunas propiedades intrigantes de esta galaxia, como la gran emisión en el infrarrojo medio y lejano que apunta a la presencia de nubes de polvo alrededor del agujero negro supermasivo o un brote de formación estelar reciente que está tan oscurecido por ese polvo que es completamente invisible con nuestros datos actuales de JWST”.

Aún persisten propiedades intrigantes de esta galaxia, como emisiones infrarrojas que apuntan a nubes de polvo alrededor del agujero negro o un brote de formación estelar reciente oscurecido por ese polvo e invisible de momento al JWST

Pablo G. Pérez-González (CAB)

Aunque modelos teóricos anteriores habían predicho que los agujeros negros tenían este efecto en las galaxias, antes del Webb no había sido posible detectar este efecto directamente.

Esos modelos indicaban que el fin de la formación estelar tiene un efecto violento y turbulento en las galaxias, destruyendo su forma en el proceso. Pero las estrellas de esta galaxia en forma de disco todavía se mueven de forma ordenada, lo que sugiere que no siempre es así.

Confirmación con el Webb

“Sabíamos que los agujeros negros tienen un impacto masivo en las galaxias y tal vez sea común que detengan la formación de estrellas, pero hasta el Webb no pudimos confirmarlo directamente”, señala Maiolino, “es otra forma más en la que Webb supone un gran paso adelante en términos de nuestra capacidad para estudiar el universo primitivo y cómo evolucionó”.

Nuevas observaciones con el Atacama Large Millimeter-Submillilimiter Array (ALMA), dirigidas a detectar el gas más frío y las zonas más oscurecidas de la galaxia, ofrecerán más información sobre si todavía hay combustible para la formación de estrellas escondido en esta galaxia, además de cuál es el efecto del agujero negro supermasivo en la región que rodea la ‘galaxia de Pablo’.

Referencia:

Francesco D’Eugenio, Pablo G. Pérez-González et al. “A fast-rotator post-starburst galaxy quenched by supermassive black-hole feedback at z=3”. Nature Astronomy, 2024