James Webb troba un possible forat negre de col·lapse directe

Nota de l'editor: Aquesta publicació destaca una combinació de resultats revisats per parells o experts i dades en curs de ciència del Webb, que encara no han passat per revisió per experts.

A mesura que les dades del Telescopi Espacial Webb de la NASA es fan públiques, els investigadors busquen en els seus arxius anomalies còsmiques que poden haver passat desapercebudes. Mentre examinaven imatges de l’enquesta COSMOS-Web, dos investigadors, Pieter van Dokkum de la Universitat de Yale i Gabriel Brammer de la Universitat de Copenhaguen, van descobrir un objecte inusual que van anomenar la Galàxia de l'Infinit.

La galàxia mostra una forma molt poc habitual, amb dos nuclis molt compactes i vermells, cadascun envoltat per un anell, que li donen la forma de símbol d’infinit. L’equip creu que es va formar per la col·lisió frontal de dues galàxies en disc. Observacions de seguiment van mostrar que la Galàxia de l'Infinit allotja un forat negre supermassiu actiu. El que és molt inusual és que aquest forat negre es troba entre els dos nuclis, dins d’una amplia extensió de gas. L’equip proposa que el forat negre es va formar allà mitjançant el col·lapse directe d’un núvol de gas, un procés que podria explicar alguns dels forats negres extremadament massius que Webb ha trobat a l’univers primitiu.

La Galàxia Infinita, resultat de la col·lisió de dues galàxies en espiral, està composta per dos anells d’estrelles (vistos com ovalades a la part superior dreta i inferior esquerra). Els dos nuclis de les galàxies en espiral són representats en groc dins dels anells. Hidrogen brillant, que ha estat desposseït dels seus electrons, apareix en verd entre les dues galàxies. Els astrònoms han detectat un forat negre de milions de masses solars que sembla estar embegut dins d’aquest ampli tram de gas ionitzat. Suggereixen que aquest forat negre podria haver-se format allà mitjançant un procés conegut com a col·lapse directe. Aquesta imatge, capturada amb la càmera d’infraroig proper (NIRCam) del Telescopi Webb de la NASA, mostra la llum en diferents longituds d’ona: 0,9 micròmetres en blau (F090W), 1,15 i 1,5 micròmetres en verd (F115W+F150W), i 2,0 micròmetres en vermell (F200W). Crèdit: NASA, ESA, CSA, STScI, P. van Dokkum (Universitat de Yale).

Segons Pieter van Dokkum, autor principal d’un article revisat per parells i investigador principal de les observacions de seguiment amb Webb, aquest objecte podria ser la millor evidència fins ara d’una manera nova de formar forats negres.
 
Ell explica que tot a aquesta galàxia és molt inusual. No només té una forma molt estranya, sinó que també té un forat negre supermassiu que està atraient molta matèria. La sorpresa més gran és que aquest forat negre no està dins dels nuclis de les dues galàxies que s’han col·lapsat, sinó al mig, en un espai ampli de gas. Ens vam preguntar: com podem entendre això?

Van Dokkum diu que, en general, trobar un forat negre fora del nucli d’una galàxia massiva ja és estrany, però encara ho és més pensar com hi ha arribat. Ells creuen que aquest forat negre no només ha arribat allà, sinó que s’ha format directament en aquest lloc, i que això podria ser una observació de la formació d’un forat negre supermassiu, cosa que mai s’havia vist abans.

Com es van formar els forats negres supermassius és una qüestió de llarga durada, explica que hi ha dues teories principals sobre com es formen els forats negres supermassius: la de les “llavors lleugeres” i la de les “llavors pesades”. La primera proposa que comencen com petits forats negres que es formen quan una estrella col·lapsa i explota com a supernova, i que després es fusionen per formar-ne de més grans. Però Webb ha trobat forats negres molt massius molt aviat en l’univers, cosa que fa difícil que aquesta teoria ho pugui explicar.

La segona teoria parla de “llavor pesada”, on un gran núvol de gas es col·lapsa directament en un forat negre molt gran, fins a un milió de vegades la massa del Sol. Això passaria molt més ràpid, però el problema és que els núvols de gas tendeixen a formar estrelles abans que un forat negre, així que caldria alguna manera d’evitar-ho, cosa que no està clara que pugui passar en la pràctica.

Mirant les dades de la Galàxia de l'Infinit, creiem que hem reunit una història de com això podria haver passat aquí. Dues galàxies de disc xoquen, formant les estructures d’anells de les estrelles que veiem. Durant la col·lisió, el gas dins d'aquestes dues galàxies s'altera i es comprimeix. Aquesta compressió podria ser suficient per formar un nus dens, que després es va col·lapsar en un forat negre.

Hi ha una mica d'evidència circumstancial d'això. Observem una gran franja de gas ionitzat, concretament hidrogen que ha estat despullat dels seus electrons, que es troba just al mig entre els dos nuclis, envoltant el forat negre supermassiu. També sabem que el forat negre està creixent activament –, veiem proves d'això en els raigs X de l'Observatori de raigs X Chandra de la NASA i la ràdio del Very Large Array. Però la pregunta és: es va formar allà?

Una parella de galàxies llunyanes que formen la forma aproximada d’un símbol d’infinit vist en un angle d’uns 45 graus. Dos cercles difusos i sobreposats amb taques blaves més brillants a la part superior dreta i inferior esquerra. Al centre de cada cercle hi ha una taca groga brillant, que és el nucli. On els dos cercles es superposen a l’esquerra, hi ha una zona de gas verd brillant, amb un aspecte irregular, situada a mig camí entre els dos nuclis grocs. Està lleugerament desplaçada cap a l’esquerra.

Clic a la imatge per engrandir. Aquesta imatge de la Galàxia de l’Infinit del Telescopi Webb de la NASA, capturada amb la càmera NIRCam (Càmera d’Infraroig Proper), està sobreposada amb un mapa de contorns de dades de la Very Large Array, un telescopi de ràdio. El punt central de l’emissió de ràdio encaixa perfectament amb el centre del gas brillant detectat en infraroig entre els dos nuclis de les galàxies. La detecció d’emissió de ràdio dels forats negres supermassius informa els investigadors sobre l’energia de l’objecte, específicament com està atraient el material que l’envolta. Crèdit: NASA, ESA, CSA, STScI, VLA, P. van Dokkum (Universitat de Yale).

Hi ha dues altres possibilitats que ens venen al cap. Primer, que podria ser un forat negre fugit (errant) que va ser expulsat d’una galàxia i que simplement està passant per allà. Segon, que podria ser un forat negre al centre d’una tercera galàxia en la mateixa ubicació al cel. Si fos en una tercera galàxia, esperaríem veure la galàxia que l’envolta, llevat que fos una galàxia nana molt feble. Però, normalment, les galàxies nanes no allotgen forats negres tan grans.

Si el forat negre fos un errant, o si fos en una galàxia no relacionada, esperaríem que tingués una velocitat molt diferent de la del gas a la Galàxia de l’Infinit. Ens vam adonar que aquesta seria la nostra prova – mesurar la velocitat del gas i la velocitat del forat negre, i comparar-les. Si les velocitats són properes, dins de potser 50 quilòmetres per segon, llavors és difícil argumentar que el forat negre no s’ha format a partir d’aquest gas.

Vam sol·licitar i vam rebre temps discrecional del director per fer un seguiment amb Webb, i els nostres resultats preliminars són emocionants. Primer, es confirma la presència d’una distribució extensa de gas ionitzat entre els dos nuclis. Segon, el forat negre està perfectament al centre de la distribució de velocitat d’aquest gas envoltant, com era d’esperar si s’hagués format allà. Aquest és el resultat clau que buscàvem!

En tercer lloc, com a una sorpresa inesperada, resulta que els dos nuclis de la galàxia també tenen un forat negre supermassiu actiu. Així, aquest sistema té tres forats negres actius confirmats: dos molt grans en cadascun dels nuclis i un altre al mig que podria haver-se format allà mateix.

No podem dir amb certesa que hàgim trobat un forat negre de col·lapse directe. Però sí que podem afirmar que aquestes noves dades enforteixen la hipòtesi que estem veient un forat negre recent de naixement, mentre que eliminen algunes de les explicacions alternatives. Continuarem revisant les dades i investigant aquestes possibilitats.

Ho he vist aquí.