Estrellas de agujero negro: el James Webb descubre una nueva clase de objetos cósmicos

Parecen dos términos contradictorios, pero a la luz del nuevo estudio no lo son. Se trata de un agujero negro supermasivo devorando materia tan vorazmente que se envuelve a sí mismo en un 'capullo' de gas extremadamente denso y caliente, tanto que brilla como si fuera una estrella. Un descubrimiento que, de confirmarse, resolvería uno de los mayores dolores de cabeza de la cosmología moderna: ¿cómo demonios pudieron crecer tan rápido los gigantescos agujeros negros de las galaxias primigenias?

La respuesta, quizá, estaba oculta tras un velo de gas rojizo. Todo empezó, en efecto, en 2022, cuando el James Webb apuntó por primera vez hacia el origen del Universo y empezó a captar cientos de 'Pequeños Puntos Rojos' (LDRs por sus siglas en inglés), distribuidos por el espacio profundo. ¿Qué podían ser?

Estos objetos eran compactos, increíblemente brillantes y, sobre todo, de un rojo anormalmente intenso. En astronomía, el color rojo se asocia a dos cosas: a una gran cantidad de polvo o, más frecuentemente en el Universo distante, a un enorme desplazamiento al rojo (redshift), lo que indica una distancia y, por tanto, una antigüedad colosal. Antes de llegar al telescopio, la luz de estos puntos había viajado durante más de 12.000 millones de años, lo que significaba que los estábamos observando cuando el Universo apenas tenía entre 600 y 1.800 millones de años de edad, una era que los expertos denominan la 'Época de la Reionización'.

El problema es que estos objetos parecían estar demasiado maduros, es decir, demasiado masivos para existir en un Universo tan joven. De modo que, si fueran galaxias, significaría que la formación estelar se aceleró en aquellos momentos hasta un ritmo nunca antes imaginado, forzando la creación de cientos de miles de estrellas en un espacio minúsculo, lo que desafía por completo los modelos teóricos de evolución galáctica temprana. Por eso los astrónomos no tardaron en bautizarlos, extraoficialmente, como 'rompe universos'. Era, para ilustrarlo con un ejemplo sencillo, como si al hacer una excavación arqueológica se encontrara un castillo medieval en un estrato de la prehistoria: o la datación es errónea, o la historia que conocemos se equivoca.

Frente a este dilema, la comunidad científica se dividió alrededor de dos posibles soluciones. Según la primera los puntos rojos son, efectivamente, galaxias increíblemente densas, ricas en estrellas y con una altísima tasa de formación estelar en sus núcleos. Su intenso color rojo se debería al enorme velo de polvo que envuelve y filtra la luz de sus estrellas, dejando pasar sólo las longitudes de onda más largas (rojas).

La segunda solución también apunta a que los puntos rojos son galaxias, pero pero con núcleos extremadamente activos (AGN) debido a la presencia de agujeros negros supermasivos 'demasiado grandes' en relación con la masa estelar de la galaxia anfitriona. Al igual que en el primer caso, el color rojo provendría del copioso polvo que los oculta.

Esta segunda posibilidad ya tiene análogos conocidos, los cuásares, objetos extremadamente brillantes alimentados por agujeros negros masivos pero que, a diferencia de los puntos rojos, son fáciles de detectar porque su luz no se ve afectada por polvo.

Ninguna de las dos opciones, sin embargo, logró convencer a todos. Y menos aún cuando, en enero de este mismo año, se descubrió que los puntos rojos contienen agujeros negros que son hasta mil veces más masivos de lo que deberían ser.

Y aquí es donde entra el presente estudio. El punto de inflexión llegó cuando su autora principal, Anna de Graaff, del Instituto Max Planck de Astronomía, y su equipo se centraron en un pequeño punto rojo en particular. El objeto, al que debido a su apariencia en las imágenes apodaron 'El Acantilado' (The Cliff), ya existía 1.800 millones de años después del Big Bang. Al estudiar su espectro de luz, los investigadores notaron una característica que no encajaba con ninguna de las dos teorías predominantes: un salto muy brusco en el brillo, fenómeno conocido como la Discontinuidad de Balmer (o Salto de Balmer).

Si bien este tipo de aumento es común en la luz de diferentes objetos, el tipo de nitidez observada en 'El Acantilado' no podría ser explicado por galaxias masivas o núcleos galácticos activos típicos. Quedaba claro, pues, que De Graaff y su equipo no estaban ante un AGN estándar o una galaxia anómala, sino ante algo completamente nuevo. La luminosidad del objeto indicaba una fuente de energía inmensa, pero a la vez la intensa discontinuidad solo podía provenir de una densa capa de gas hidrógeno a una temperatura específica. La convergencia de ambas pistas dio lugar a la hipótesis de la 'Estrella de Agujero Negro'.

Desde luego, no se trata de una estrella en el sentido tradicional, ya que no se alimenta de fusión nuclear, como nuestro Sol. Es, en esencia, un agujero negro masivo 'hiperactivo', una 'semilla' de los agujeros negros supermasivos que vemos hoy que se distingue porque está inmerso y continuamente cubierto por una espesa envoltura de hidrógeno que está siendo calentada por la intensa radiación del disco de acreción (la materia que cae en espiral hacia el horizonte de sucesos).

Si nuevas investigaciones confirman el hallazgo, las Estrellas de Agujero Negro podrían ayudar a resolver uno de los enigmas más acuciantes de la Cosmología: el del origen de los agujeros negros supermasivos. Los científicos, en efecto, no consiguen explicar por qué, cuando el Universo era aún muy joven, con apenas unos cientos de millones de años, ya existían en él gigantescos agujeros negros, objetos que en teoría no habrían tenido aún el tiempo de crecer tanto.

Sin embargo, si los Pequeños Puntos Rojos son en realidad Estrellas de Agujero Negro, estaríamos precisamente ante esa fase de crecimiento ultrarrápido que permite que los agujeros negros primigenios se 'atiborren' hasta alcanzar tamaños colosales en un tiempo récord. Sería algo así como la etapa 'adolescente' de estos gigantes cósmicos.

El estudio también sugiere que esta fase debe ser efímera en términos cósmicos. De Graaff y su equipo, de hecho, notaron que el número de LRDs disminuye drásticamente a medida que observamos épocas cósmicas más tardías. Lo cual implica que la formación de estas envolturas densas de gas es un fenómeno propio de la primera infancia del Universo, cuando las condiciones de densidad y la disponibilidad de gas eran radicalmente distintas a las actuales.

Ahora, el siguiente reto será distinguir si estas Estrellas de Agujero Negro pertenecen, efectivamente, a una clase totalmente nueva de objetos o si, simplemente, se trata de una fase breve, aunque extrema, en el crecimiento estándar de los agujeros negros masivos que luego evolucionan hacia cuásares. Para descubrirlo, Graaff y sus colegas ya tienen planes para usar el James WEBB y observar más puntos rojos brillantes, en busca de esa firma espectral única de la Discontinuidad de Balmer que define a estos objetos. Solo con más observaciones y con un monitoreo en el tiempo (para ver cómo evolucionan y si su brillo y espectro cambian), podremos estar seguros de que, en efecto, se ha despejado por fin el misterio que envuelve a estos oscuros gigantes cósmicos.