El Telescopio Espacial James Webb ha descubierto un solitario agujero negro en el universo primitivo, con una masa equivalente a 50 millones de soles. Un descubrimiento trascendental: este objeto complica las teorías sobre el cosmos joven.
Un artículo de Charlie Wood. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.
Se ha descubierto un agujero negro sin precedentes en el universo temprano. Es enorme y parece estar prácticamente solo, con pocas estrellas orbitándolo. El objeto, que podría representar una clase completamente nueva de enormes agujeros negros “desnudos”, pone en entredicho la comprensión tradicional del universo joven.
“Esto está completamente fuera de escala”, afirma Roberto Maiolino, astrofísico de la Universidad de Cambridge que ayudó a desvelar la naturaleza del objeto en un preprint publicado el 29 de agosto. “Es tremendamente emocionante. Es muy revelador.”
“Está empujando los límites de lo que creemos que puede ser cierto, de lo que creemos que puede ocurrir”, comenta Dale Kocevski, astrónomo del Colby College que no participó en la nueva investigación.
Los astrónomos detectaron el agujero negro desnudo usando el Telescopio Espacial James Webb (JWST), un mega-instrumento construido por la NASA y sus socios en parte para desvelar cómo se formaron las galaxias durante el primer millardo de años del universo. Este nuevo agujero negro, con una masa equivalente a 50 millones de soles y bautizado como QSO1, entra en conflicto con la visión provisional de que la formación galáctica no comenzaba con agujeros negros. Se creía que estos aparecían solo después de que las estrellas de una galaxia colapsasen gravitacionalmente en agujeros negros que luego se fusionaban y crecían. Pero Maiolino y sus colegas describen a un leviatán solitario, sin rastro de galaxia madre.
La pregunta ahora es cómo llegó a existir este agujero negro.
La posibilidad más emocionante —y polémica— se remonta a una propuesta de 1971 del físico británico Stephen Hawking: que los agujeros negros surgieron en la sopa primordial del propio Big Bang. En tal caso, el objeto habría permanecido en la oscuridad desde los primeros instantes del cosmos, esperando a que las estrellas y galaxias lo iluminaran.
QSO1 es uno de los cientos de objetos similares, apodados “pequeños puntos rojos”, que JWST ha detectado en sus primeros años explorando las profundidades del tiempo. Los astrofísicos aún no pueden afirmar si todos estos puntos son agujeros negros, y en general siguen desconcertados por la caótica infancia del universo. Pero las imágenes del telescopio sugieren un cosmos juvenil y alborotado que fabricó grandes agujeros negros y galaxias tanto en paralelo como de forma independiente, o quizás incluso un universo en el que los agujeros negros fueron de las primeras estructuras de gran escala en existir: burbujas oscuras en un té cósmico por lo demás homogéneo.
QSO1 y el resto de los pequeños puntos rojos “nos dicen que no sabemos nada”, afirma John Regan, teórico de la Universidad de Maynooth en Irlanda. “Ha sido realmente emocionante y electrizante para el campo.”
Puntos rojo pálido
Lukas Furtak, astrónomo de la Universidad Ben-Gurion en Israel, supo que QSO1 era extraordinario en el mismo momento en que lo vio —o en que vio sus tres reflejos escondidos entre un cúmulo de manchas blancas de galaxias en una imagen tomada por JWST en 2023. “Es algo que destaca de inmediato”, apunta Furtak por Zoom, señalando tres motas rojas casi imperceptibles. “Aquí hay tres fuentes puntuales rojas: aquí, aquí y aquí arriba.”
En la imagen, una alineación fortuita de galaxias y materia oscura había doblado los rayos de luz de objetos de fondo, como lo haría una lente de cristal; esta “lente gravitatoria” revela objetos más profundos en el universo temprano de lo que el telescopio podría ver por sí solo. La lente amplía y estira lo que hay detrás, creando a veces múltiples imágenes. Furtak estaba cartografiando las formas alargadas de galaxias que la lente había proyectado en varios lugares cuando descubrió los tres puntos rojos de QSO1.
Los puntos le llamaron la atención porque no mostraban signos de estiramiento. Sabía que lo único que sigue viéndose como un punto pequeño y redondo tras ser estirado es algo aún más pequeño y más redondo. No era una galaxia, concluyó: debía de tratarse de un agujero negro, una concentración de masa tan densa que su gravedad crea una región de la que nada puede escapar.
Durante los seis meses siguientes, Furtak y sus colaboradores apuntaron el JWST hacia cada uno de los tres puntos rojos durante 40 horas para obtener un censo de los colores de la luz que emitían, es decir, su espectro. Ese estudio concluyó que QSO1 es muy probablemente un agujero negro brillante que concentra decenas de millones de masas solares en una región de como máximo 100 años luz de diámetro, tal como era cuando el universo tenía solo 750 millones de años. (Hoy el cosmos se acerca a los 14.000 millones de años).
QSO1 fue uno de los primeros pequeños puntos rojos descubiertos. Hoy se conocen más de 300, y el debate sobre su naturaleza lleva dos años encendido. Presentan algunas características clásicas de agujeros negros brillantes, pero no todas. Y hasta ahora las estimaciones de sus masas eran algo indirectas. Como resultado, algunos astrofísicos han argumentado —como hizo un grupo en un análisis de más de 100 pequeños puntos rojos en agosto— que en realidad son galaxias extrañas sin agujeros negros.
“El campo ha estado obsesionado con ellos”, destaca Kocevski. “Rara vez se encuentran cosas que no puedes explicar.”
Ampliando el zoom
En diciembre de 2024, Maiolino, junto con Hannah Übler (ahora en el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre) y otros colaboradores, enfocaron el JWST en QSO1 durante 10 horas más. Aumentaron la resolución del punto hasta convertirlo en una mancha pixelada y midieron los colores específicos que provenían de cada píxel. A partir de estos espectros calcularon la velocidad a la que el material brillante de cada píxel se movía hacia nosotros o se alejaba. Descubrieron que ese material —probablemente gas caliente— giraba en un torbellino furioso, confirmando los hallazgos preliminares de Furtak.
Su análisis detallado, descrito en dos preprints publicados en mayo y agosto, reveló definitivamente la identidad de QSO1.
Una de las pistas fue su masa. Al reconstruir el torbellino, el equipo midió directamente la masa del objeto alrededor del cual orbitaba: 50 millones de veces la del Sol. Este resultado coincidía con el de Furtak y su equipo. (Este logro ya es un gran avance: sugiere que el método indirecto, basado en el espectro global del objeto, funciona para agujeros negros jóvenes, algo que era motivo de debate).
Además, el grupo no encontró indicios de una galaxia estrellada alrededor de QSO1. El gas orbita el píxel central igual que la Tierra orbita el Sol, lo que indica que la masa está concentrada en un punto. El equipo estima que el agujero negro representa al menos dos tercios de la masa de QSO1, siendo el resto gas y quizá algunas estrellas dispersas. Regan, que no participó en la investigación, cree que esta estimación es conservadora y que QSO1 podría ser hasta un 90 % agujero negro. “Nunca hemos visto nada parecido”, afirma.
Por último, los espectros píxel a píxel mostraron que el gas que orbita el agujero negro es esencialmente hidrógeno puro, un elemento que se remonta al Big Bang. Las estrellas brillan fusionando hidrógeno en elementos más pesados y, cuando explotan, esparcen esos elementos por todas partes. QSO1 parece haber alcanzado su estado actual antes de que muchas estrellas cercanas vivieran y murieran.
“La explicación más plausible parece ser que el agujero negro se desarrolló antes que la galaxia”,apunta Marta Volonteri, teórica del Instituto de Astrofísica de París que participó en el análisis de QSO1.
Orígenes velados
Una de las principales tareas de los astrofísicos ahora será desentrañar cómo se formaron QSO1 y sus semejantes, y cómo se convirtieron en los agujeros negros supermasivos que hoy se encuentran en el centro de las galaxias. Estos agujeros negros supermasivos, con masas de hasta miles de millones de soles, ya anclaban galaxias al final del primer millardo de años del universo.
Los agujeros negros supermasivos llevan tiempo desconcertando a los astrofísicos. Saben que las galaxias pueden generar agujeros negros cuando sus estrellas más grandes agotan su combustible y mueren. Esos cadáveres estelares se fusionan y devoran gas y polvo, creciendo hasta formar un agujero negro gigante en el centro galáctico. El problema es que todo este proceso lleva tiempo, y resulta difícil imaginar que ocurra lo bastante rápido como para explicar los agujeros negros supermasivos que ya existían cuando el universo tenía apenas mil millones de años. Por ello, los teóricos llevan décadas ideando teorías alternativas sobre su formación.
Ahora, QSO1 —que carece de galaxia visible— demuestra que debe de existir otro mecanismo.
¿Cómo podría el universo fabricar directamente agujeros negros gigantescos? El grupo de Maiolino se inclina por la propuesta de Hawking. El Big Bang produjo un universo infantil con regiones más densas que otras. Allí donde la densidad fue suficiente, el colapso directo podría haber formado un agujero negro, que luego crecería absorbiendo materia a su alrededor. Tras cientos de millones de años, algunos de estos agujeros negros “primordiales” podrían haber alcanzado tamaños colosales, parecidos a QSO1.
“Es la explicación más plausible que veo”, reconoce Volonteri. “Pero estoy segura de que en los próximos seis meses habrá mil personas proponiendo otras teorías.”
No tendrán que esperar seis meses. Incluso antes del descubrimiento de QSO1, Priyamvada Natarajan, astrofísica teórica de la Universidad de Yale, y colaboradores habían publicado ya dos teorías no primordiales que podrían explicar el origen de QSO1.
La primera supone que el Big Bang produjo regiones densas que no colapsaron inmediatamente. En lugar de ello, evolucionaron en nubes de gas durante cientos de miles de años. La radiación residual del Big Bang impidió que estas nubes se enfriaran y fragmentaran en estrellas, permitiéndoles hacerse lo bastante masivas como para colapsar directamente en agujeros negros. En un artículo publicado en junio, un equipo liderado por Wenzer Qin en la Universidad de Nueva York denominó a estos gigantes de aparición algo más tardía “agujeros negros casi no primordiales”.
O quizá QSO1 sí surgió de una galaxia —una que se formó rápidamente, creó un gran agujero negro y luego desapareció. En 2014, Natarajan y Tal Alexander, del Instituto Weizmann de Ciencias en Israel, describieron un escenario en el que una estrella de una región especialmente densa colapsa en un gran agujero negro que luego “vaga” como Pac-Man, engullendo gas y creciendo hasta alcanzar un tamaño enorme. Las demás estrellas se extinguirían pronto, dejando al agujero negro gigante por su cuenta.
Ninguna de estas historias encaja perfectamente con QSO1, aunque todas son posibles. El único escenario prácticamente descartado es el clásico de estrellas colapsando, fusionándose y alimentándose de un disco de gas en órbita.
QSO1 no es el primer agujero negro no convencional detectado por JWST, aunque sí el más “desnudo”. Otro hallazgo notable se encuentra en una galaxia llamada UHZ1, formada menos de 500 millones de años después del Big Bang. Combinando observaciones de JWST con rayos X captados por el Observatorio de Rayos X Chandra en 2022, Natarajan y sus colaboradores concluyeron que UHZ1 también contiene más agujero negro que galaxia. Este y otros indicios llevaron al grupo a sostener que el agujero negro de UHZ1 nació cuando una nube de gas se saltó en gran medida la fase estelar y colapsó directamente, una teoría que también podría aplicarse a QSO1.
El reto —y la emoción— para los astrónomos es que están explorando por primera vez una nueva era de la historia cósmica, y descifrar el panorama está resultando complicado. Regan compara la situación con tratar de desarrollar toda una teoría sobre la humanidad basándose solo en adultos y adolescentes —las galaxias maduras que podíamos observar antes del lanzamiento del JWST. Observar los pequeños puntos rojos equivale a descubrir niños pequeños: entidades desordenadas y difíciles de interpretar en comparación con lo que conocíamos. “Es otro rollo”, comenta. “Van corriendo por ahí como locos.”
El artículo original, A Single, ‘Naked’ Black Hole Rewrites the History of the Universe, se publicó el 12 de septiembre de 2025 en Quanta Magazine. Cuaderno de Cultura Científica tiene un acuerdo de distribución en castellano con Quanta Magazine.
Traducido por César Tomé López
