Estrellas de agujero negro: el hallazgo del telescopio James Webb que reescribe la historia de las primeras galaxias
El James Webb ha detectado en el cosmos profundo unos misteriosos puntos rojos que podrían ser estrellas de agujero negro, un hallazgo que cuestiona cómo nacieron las primeras galaxias.
Por Enrique Coperías
Ilustración artística de una estrella de agujero negro (no a escala). Los misteriosos puntos rojos detectados en el universo primitivo podrían ser enormes esferas de gas tan densas que imitan la atmósfera de las estrellas comunes, aunque en su centro no hay fusión nuclear, sino agujeros negros supermasivos que devoran materia y emiten luz. Cortesía: T. Müller / A. de Graaff / Max Planck Institute for Astronomy
En julio de 2022, apenas unas semanas después de que el telescopio espacial James Webb (JWST) comenzara a enviar sus primeras imágenes científicas, los astrónomos se toparon con algo desconcertante.
En los campos más profundos del cosmos, el James Webb retrató unos diminutos puntos rojos que brillaban en el infrarrojo con una claridad inédita. No se trataba de un hallazgo aislado: eran muchos y estaban por todas partes. A esas escalas y distancias, cada descubrimiento puede poner patas arriba la astrofísica, y pronto se vio que estas manchas desafiaban los modelos cosmológicos aceptados.
La clave estaba en su luz. Mientras que el veterano Hubble no puede observar longitudes de onda tan largas, el James Webb fue diseñado precisamente para rastrear el universo en el infrarrojo medio. Los nuevos objetos aparecían extremadamente lejanos: incluso los más cercanos habían emitido su luz hace 12.000 millones de años, cuando el universo apenas había cumplido una octava parte de su edad actual. Verlos era, en realidad, viajar al pasado y asomarse a las primeras fases de la historia cósmica.
El enigma de las «rompeuniversos»
Muy pronto, entre los astrónomos empezó a circular un apodo para estas fuentes de luz: los universe breakers o rompeuniversos. El nombre no es casual: si eran galaxias maduras apenas 500 o 700 millones de años después del big bang, como parecían al principio, implicaban que el cosmos había formado estructuras tan masivas en un tiempo récord, un desafío directo a los modelos de evolución galáctica.
La hipótesis de que fueran galaxias plagadas de estrellas implicaba densidades imposibles. «El cielo nocturno de una galaxia así estaría deslumbrantemente iluminado —señala Bingjie Wang, entonces investigadora posdoctoral en la Penn State y hoy becaria en Princeton. Y añade— Si esta interpretación es correcta, implica procesos de formación estelar que nunca hemos observado».
La alternativa, que fueran agujeros negros supermasivos envueltos en polvo y materia, tampoco cuadraba del todo. Sus espectros no se parecían a los núcleos activos conocidos, y además obligaban a suponer la existencia de muchísimos agujeros negros gigantes en un universo temprano. Ningún escenario resultaba satisfactorio.
El programa RUBIES y el descubrimiento de The Cliff
El consenso entre los astrónomos era que hacían falta datos espectroscópicos. Y fue el programa RUBIES (Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey), liderado por Anna de Graaff desde el Instituto Max Planck de Astronomía, en Alemania, el que logró el salto. Entre enero y diciembre de 2024, el James Webb dedicó casi sesenta horas a observar 4.500 galaxias distantes, lo que dio origen a uno de los mayores conjuntos de espectros obtenidos con el telescopio de la NASA.
En ese mar de datos apareció un objeto tan extremo que se convirtió en el mejor banco de pruebas para entender qué eran realmente los puntos rojos. Lo apodaron The Cliff (El Acantilado) por el abrupto salto de Balmer que mostraba su espectro: una señal característica de estrellas individuales muy calientes, pero inesperada en algo que se suponía una galaxia.
La luz de The Cliff había tardado 11.900 millones de años en llegar hasta nosotros. El análisis revelaba un objeto masivo rodeado por una gigantesca esfera de gas de hidrógeno. Ninguno de los modelos clásicos —ni galaxias repletas de estrellas ni núcleos activos envueltos en polvo— podía explicar su comportamiento.
«Las propiedades extremas de The Cliff nos obligaron a volver al tablero de dibujo y elaborar modelos totalmente nuevos», explica De Graaff.
Ilustración artística de un agujero negro supermasivo en rotación, rodeado por un disco de acreción. El fino anillo de material procede de los restos de una estrella similar al Sol, destrozada por las fuerzas de marea del agujero negro. Las colisiones entre los fragmentos y el calor generado durante la acreción desencadenaron una brillante explosión de luz, comparable a una supernova. Crédito: ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser
Estrellas de agujero negro: una nueva clase de objeto
La pista vino de un trabajo teórico publicado en septiembre de 2024 por investigadores de China y el Reino Unido, que sugería que algunas rupturas espectrales podían tener un origen diferente al estelar. Inspirados por esa idea, De Graaff y sus colegas desarrollaron un nuevo concepto: las estrella de agujero negro (BH).
En este modelo, se trataría de un agujero negro supermasivo que devora materia a tal ritmo que se rodea de una atmósfera de gas frío y turbulento. Esa envoltura gaseosa, iluminada desde dentro, imita la apariencia de una estrella gigantesca, aunque sin fusión nuclear en su núcleo.
«Básicamente miramos suficientes puntos rojos hasta que encontramos uno con tanta atmósfera que no podía explicarse con estrellas típicas en una galaxia —explica Joel Leja, astrofísico de la Penn State y coautor del estudio. Y continúa—: Es una respuesta elegante: pensábamos que era una pequeña galaxia llena de estrellas frías, pero en realidad es, efectivamente, una estrella gigantesca y muy fría».
El detalle es revelador. La luz de estos objetos no está dominada por gas ardiente, como suele ocurrir alrededor de los agujeros negros, sino por gas frío, similar al de las atmósferas estelares más pequeñas y apagadas del universo. Eso explicaría por qué brillan en el rojo y el infrarrojo, lo que recuerda a estrellas de baja masa, pero a una escala colosal.
La infancia de los agujeros negros supermasivos
Para Leja, estas estrellas de agujero negro podrían representar la fase infantil de los colosos que hoy vemos en los centros de las galaxias. «Nadie ha sabido nunca de dónde vienen estos agujeros negros gigantes —apunta Leja—. Las estrellas de agujero negro podrían ser la primera etapa en la formación de los agujeros negros supermasivos que vemos hoy».
La hipótesis, además, ofrece una ventaja adicional: explicaría cómo los agujeros negros del universo temprano alcanzaron masas tan grandes en tan poco tiempo. Al estar envueltos en gas denso, podrían crecer a ritmos vertiginosos, convirtiéndose en verdaderos constructores de galaxias en la infancia del cosmos.
Imágenes de seis galaxias masivas, observadas apenas entre 500 y 700 millones de años después del big bang. Según los investigadores, una de ellas (abajo a la izquierda) podría contener tantas estrellas como la Vía Láctea actual, aunque en un volumen treinta veces más compacto.
Crédito: NASA, ESA, CSA, I. Labbé (Swinburne University of Technology).
Un escenario aún por probar
Los investigadores son conscientes de que, pese a su atractivo, la idea está en una fase muy temprana. Quedan preguntas abiertas: cómo se forman esas atmósferas de gas, cómo se mantienen pese a la voracidad del agujero negro, qué mecanismos permiten repostarlas con gas fresco. Y, sobre todo, si se trata de un fenómeno común o de rarezas cósmicas.
«Es la mejor idea que tenemos, y realmente la primera que encaja con casi todos los datos —reconoce Leja—. Pero ahora debemos desarrollarla más. Está bien equivocarse: el universo es mucho más extraño de lo que podemos imaginar, y lo único que podemos hacer es seguir sus pistas. Todavía guarda grandes sorpresas».
De momento, el equipo ya tiene aprobadas nuevas observaciones del James Webb para los próximos años, centradas en The Cliff y en otros puntos rojos de especial interés. Será entonces cuando podamos confirmar si estas estrellas de agujero negro se incorporan de forma definitiva a nuestro mapa cósmico o si, como tantas veces en ciencia, la realidad resulta aún más extraña de lo que intuimos. ▪️
Información facilitada por la Penn State y el Max Planck Institute for Astronomy
Fuente: Anna de Graaff, Hans-Walter Rix, Rohan P. Naidu, Ivo Labbé, Bingjie Wang, Joel Leja, Jorryt Matthee, Harley Katz, Jenny E. Greene, Raphael E. Hviding, Josephine Baggen, Rachel Bezanson, Leindert A. Boogaard, Gabriel Brammer, Pratika Dayal, Pieter van Dokkum, Andy D. Goulding, Michaela Hirschmann, Michael V. Maseda, Ian McConachie, Tim B. Miller, Erica Nelson, Pascal A. Oesch, David J. Setton, Irene Shivaei, Andrea Weibel, Katherine E. Whitaker and Christina C. Williams. A remarkable ruby: Absorption in dense gas, rather than evolved stars, drives the extreme Balmer break of a little red dot at z = 3.5. Astronomy and Astrophysics (2025). DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202554681
