El telescopi espacial James Webb ha trobat una cosa poc habitual en una galàxia de l'univers primitiu: tres forats negres supermassius actius dins del mateix sistema, dos d'ells separats per tot just uns centenars d'anys llum.
La galàxia, denominada J0148-4214, es troba a més de 12.500 milions d'anys llum de la Terra. A causa del temps que ha trigat la seva llum a arribar-nos, els astrònoms l'observen com era quan l'univers tenia poc més de 1.000 milions d'anys.
La troballa podria ajudar a explicar com alguns forats negres van assolir masses enormes tan poc temps després del Big Bang. Una de les possibilitats és que les fusions entre aquests objectes fossin molt més freqüents i eficients del que es pensava.
Tres forats negres dins d'una mateixa galàxia
Els forats negres no apareixen directament en les imatges del James Webb. Els investigadors els van identificar amb l'instrument NIRSpec en estudiar el moviment del gas d'hidrogen que gira a gran velocitat al voltant d'ells.
Aquest material forma discos d'acreció que s'escalfen mentre cau cap als forats negres i deixa senyals característics en el seu espectre. A partir d'aquestes mesures, l'equip va poder localitzar els tres objectes i estimar les seves masses i ritmes de creixement.
Dos es troben molt a prop del centre de J0148-4214 i estan separats per aproximadament 620 anys llum. El més gran té unes 80 milions de vegades la massa del Sol, mentre que el seu company ronda les 600.000 masses solars.
Malgrat aquesta diferència, el menor està creixent a un ritme extraordinari. Les dades indiquen que acumula material per sobre de l'anomenat límit d'Eddington, la taxa a partir de la qual la intensa radiació generada al voltant d'un forat negre comença a dificultar que continuï entrant més matèria.
El tercer objecte es troba a uns 5.500 anys llum del centre galàctic i té aproximadament dos milions de masses solars. Els investigadors creuen que va poder arribar fins allà després d'una fusió entre galàxies, un procés que també explicaria per què diversos forats negres han acabat dins del mateix sistema.
En conjunt, les estrelles de J0148-4214 sumen unes 1.300 milions de masses solars. Que els seus forats negres representin una fracció tan important d'aquesta massa resulta especialment cridaner per a una galàxia observada en una etapa tan primerenca de la història còsmica.
Una fusió produiria enormes ones gravitacionals
Quan dos forats negres supermassius s'aproximen prou, comencen a orbitar entre si i perden energia en forma d'ones gravitacionals. La distància entre tots dos es redueix progressivament fins que acaben fusionant-se en un únic objecte més massiu.
Aquestes ones són deformacions de l'espai-temps que es propaguen per l'univers. No "trenquen" l'espai de forma literal, però una fusió de forats negres supermassius pot generar senyals molt més llargs i de menor freqüència que les detectades actualment per observatoris com LIGO, Virgo i KAGRA.
Precisament per això, els instruments instal·lats a la Terra no són els més adequats per buscar-les. L'Agència Espacial Europea prepara LISA, una missió formada per tres naus separades per uns 2,5 milions de quilòmetres que utilitzaran feixos làser per detectar variacions diminutes en la distància entre elles.
El seu llançament està previst per a la dècada de 2030. Si sistemes com J0148-4214 van ser habituals en l'univers primitiu, LISA podria detectar fusions similars i oferir una nova forma d'estudiar com van créixer els primers forats negres gegants.
El sistema observat pel James Webb resulta especialment interessant perquè demostra que trobades d'aquest tipus ja podien produir-se quan l'univers era encara molt jove.
El tercer forat negre podria acabar expulsat
Encara que els tres objectes semblen destinats a interactuar gravitatòriament, encara no es pot afirmar que tots vagin a acabar fusionant-se.
La incògnita més gran està en el tercer forat negre, situat lluny del centre. Les dades actuals permeten determinar on es troba, però no mesurar amb suficient precisió la direcció del seu moviment.
Una possibilitat és que s'acosti als altres dos i participi més endavant en una fusió. L'altra és que la mateixa interacció gravitatòria acabi expulsant-lo de la galàxia.
Aquest tipus de comportament està relacionat amb el conegut problema dels tres cossos. Quan tres objectes molt massius interactuen entre si, les seves trajectòries poden tornar-se extremament complexes i un d'ells pot rebre prou energia per sortir disparat del sistema.
Els investigadors plantegen que els dos forats negres més petits van poder arribar inicialment com una parella. En acostar-se a l'objecte de 80 milions de masses solars, aquest hauria capturat el menor mentre el tercer rebia part de l'energia orbital i era llançat cap a l'exterior.
Processos semblants s'observen a la Via Làctia amb les anomenades estrelles hiperveloces. Algunes formaven part de sistemes binaris que van passar massa a prop de Sagittarius A*, el forat negre central de la nostra galàxia: una estrella va quedar atrapada i l'altra va sortir disparada a gran velocitat.
Ara per ara no hi ha una manera de saber quin destí espera el tercer forat negre de J0148-4214. Si realment va ser expulsat, podria continuar viatjant per l'espai intergalàctic, encara que nosaltres vegem el sistema tal com era fa 12.500 milions d'anys.
El que sí que deixa clar el descobriment és que l'univers primitiu ja podia reunir diversos forats negres enormes dins d'una mateixa galàxia i sotmetre'ls a interaccions capaces de canviar radicalment la seva evolució.