Imagina mirar atrás en el tiempo hasta el principio del cosmos y ver una colisión de galaxias. En lo profundo del universo antiguo, a unos 12.5 mil millones de años luz de nuestro sistema solar, un joven sistema estelar esconde un gran secreto. Dentro de esta galaxia lejana conocida como J0148-4214, los científicos han detectado tres agujeros negros gigantes que están devorando activamente el gas a su alrededor.
Esta observación es un hito importante en la astronomía. Según un equipo internacional de investigación coordinado por el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre, es la primera vez que se confirma un sistema de triple agujero negro funcionando tan lejos. Como la luz de J0148-4214 tardó 12.5 mil millones de años en cruzar el espacio hasta la Tierra, los astrónomos están viendo la galaxia tal como era solo 1.2 mil millones de años después de que el universo comenzara a expandirse.
"Esta es la primera evidencia de tres agujeros negros activos en una sola galaxia en el universo lejano", dijo Hannah Übler, autora principal del estudio y líder de un grupo de investigación en el Instituto Max Planck.
El descubrimiento ofrece una visión rara del caótico entorno del cosmos primitivo. Durante la juventud del universo, las galaxias chocaban frecuentemente. Estas antiguas colisiones cósmicas probablemente forzaron a múltiples agujeros negros gigantes a estar en el mismo lugar, preparando el escenario para el sistema abarrotado que los científicos ven hoy.
Dos de los agujeros negros están cerca del centro, separados por unos 620 años luz. Un tercer agujero negro solitario orbita en los bordes exteriores, a unos 5,500 años luz de la pareja central. Los tres están atrayendo material circundante, pero lo hacen a velocidades muy diferentes.
El par central tiene un gran desequilibrio. El objeto más grande tiene la masa de unos 80 millones de soles, mientras que su compañero más pequeño pesa 600,000 masas solares. Sin embargo, el objeto más pequeño es el que está consumiendo gas a una velocidad que rompe el límite de Eddington, un límite teórico que los científicos creían que impedía que un agujero negro creciera más rápido. Mientras tanto, su vecino masivo se alimenta a un ritmo mucho más tranquilo. El agujero negro exterior, con un peso de unos dos millones de masas solares, también está comiendo constantemente.
Detectar estos objetos requirió tecnología extraordinaria. El equipo de investigación utilizó el Telescopio Espacial James Webb, específicamente su instrumento Near Infrared Spectrograph. Al observar el gas de hidrógeno que se arremolinaba a velocidades extremas, los científicos pudieron detectar la atracción gravitacional de los gigantes ocultos. Los dos agujeros negros centrales están tan cerca que se fusionan en un solo punto de luz. Para distinguirlos, el equipo usó una técnica llamada espectro-astrometría, que mide pequeños cambios en la posición de las ondas de luz. Sin este avanzado telescopio espacial, los investigadores señalan que probablemente solo habrían notado uno de los tres objetos.
Estos agujeros negros dominan su galaxia anfitriona. Giovanni Mazzolari, investigador del Instituto Max Planck y segundo autor del estudio, explicó que los datos del telescopio permitieron al equipo medir todo el 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", señaló Mazzolari. "Encontramos una masa estelar total de aproximadamente 1.3 mil millones de masas solares, y los agujeros negros representan una fracción significativa de eso".
Encontrar tres agujeros negros en un solo lugar ayuda a resolver un misterio de larga data sobre cómo estos objetos crecieron tan masivamente tan rápido después del amanecer del tiempo. Roberto Maiolino, profesor de la Universidad de Cambridge y coautor del estudio, calificó los resultados de extremadamente emocionantes. "Sugieren que la fusión de agujeros negros puede ser una vía adicional y rápida para su rápido crecimiento en el universo primitivo", dijo Maiolino. Übler agregó que el descubrimiento muestra cuán efectivos fueron los primeros procesos cósmicos para juntar objetos masivos.
La historia de la galaxia J0148-4214 está lejos de terminar. El tercer agujero negro podría ser un vagabundo que se dirige hacia adentro, o podría ser el sobreviviente de una colisión aún más antigua que fue expulsada al borde de la galaxia por fuerzas gravitacionales. Finalmente, los dos agujeros negros centrales están destinados a chocar y fusionarse, un evento que se espera que ocurra en unos pocos cientos de millones de años.
Cuando ese agujero negro exterior finalmente se una a la masa central, la colisión resultante enviará poderosas ondas a través del espacio. Los científicos calculan que un futuro observatorio espacial llamado LISA tiene un 81.8 por ciento de posibilidades de capturar esas ondas gravitacionales exactas, que resonarán a través de la oscura extensión.