Datos del artículo científico:

• Título: A "Black Hole Star" Reveals the Remarkable Gas-Enshrouded Hearts of the Little Red Dots
• Autores: Rohan P. Naidu, Jorryt Matthee, Harley Katz, Anna de Graaff, Pascal Oesch, Aaron Smith, Jenny E. Greene, Gabriel Brammer, Andrea Weibel, Raphael Hviding, John Chisholm, Ivo Labbé, Robert A. Simcoe, Callum Witten, Hakim Atek, Josephine FW Baggen, Sirio Belli, Rachel Bezanson, Leindert A. Boogaard, Sownak Bose, Alba Covelo-Paz, Pratika Dayal, Yoshinobu Fudamoto, Lukas J. Furtak, Emma Giovinazzo, Andy Goulding, Max Gronke, Kasper E. Heintz, Michaela Hirschmann, Garth Illingworth, Akio K. Inoue, Benjamin D. Johnson, Joel Leja, Ecaterina Leonova, Ian McConachie, Michael V. Maseda, Priyamvada Natarajan, Erica Nelson, David J. Setton, Irene Shivaei, David Sobral, Mauro Stefanon, Sandro Tacchella, Sune Toft, Alberto Torralba, Pieter van Dokkum, Arjen van der Wel, Marta Volonteri, Fabian Walter, Bingjie Wang, Darach Watson

¿Cómo estudiamos lo que no podemos tocar?

¿Cómo pueden los astrónomos estudiar objetos ubicados a distancias enormes si no podemos acceder directamente a ellos? La respuesta está en la luz. Aunque estos objetos sean inalcanzables, la radiación que emiten revela información sobre sus propiedades físicas y el medio que los rodea. Mediante la espectroscopía, se descompone esa luz en un espectro y analizan las líneas de emisión y absorción presentes en él. Cada una de estas líneas constituye una huella del elemento que la produjo.

Lo que nos cuentan las líneas de Balmer

El hidrógeno es el elemento más abundante del universo, y sus líneas espectrales aparecen en casi todos los objetos astronómicos. Estas líneas tienen su origen en la mecánica cuántica: los electrones de un átomo solo pueden ocupar determinados niveles de energía. Cuando un electrón pasa de un nivel de mayor energía a otro inferior libera un fotón, con el proceso inverso, el átomo absorbe un fotón. Estas transiciones energéticas producen las conocidas líneas de emisión y absorción.

Dentro del espectro del hidrógeno, la serie de Balmer corresponde a todas las transiciones electrónicas que finalizan en el primer estado excitado del átomo (n=2). Entre las más conocidas se encuentran Hα, Hβ y Hγ, observadas en distintas regiones del espectro visible. Estas líneas son especialmente valiosas porque contienen información sobre las condiciones del gas y los procesos de absorción, reemisión y dispersión que experimenta la radiación antes de llegar hasta nosotros.

Un espectro inusual

En el artículo mencionado, los autores estudiaron el objeto MoM-BH-1*, observado con el espectrógrafo NIRSpec del JWST. Este objeto pertenece a una población conocida como Little Red Dots (LRDs), fuentes muy compactas y rojizas descubiertas recientemente en el Universo temprano, cuya naturaleza aún no está completamente establecida.

Como este objeto se encuentra a un corrimiento al rojo de (z=7.76), la luz que originalmente fue emitida en el rango visible llega hasta nosotros desplazada al infrarrojo debido a la expansión del Universo. Por ello fue necesario utilizar NIRSpec, un instrumento diseñado para observar precisamente esas longitudes de onda.

Pero lo interesante son los resultados después de analizar su espectro:

Las líneas de Balmer Hβ y Hγ mostraban simultáneamente componentes de emisión y absorción, un comportamiento muy poco común. Esto indicaba que la radiación no viajaba libremente hasta nosotros, sino que interactuaba con una gran cantidad de gas antes de escapar.

Además, el espectro presenta una caída abrupta de brillo conocida como salto de Balmer. Para que aparezca una absorción tan intensa en las líneas de Balmer, debe existir una gran cantidad de electrones ocupando el nivel n=2. En condiciones normales eso casi nunca ocurre, porque los electrones regresan rápidamente al estado base n=1. Sin embargo, en un gas extremadamente denso las colisiones entre átomos son tan frecuentes que muchos electrones permanecen temporalmente en ese nivel, haciendo posible una fuerte absorción.

La solución: una "estrella de agujero negro"

Para explicar estos hallazgos, los autores propusieron un modelo al que denominaron Black Hole Star ("estrella de agujero negro"). Un nombre para describir un agujero negro que está rodeado por una envoltura de gas similar a la fotosfera de una estrella.

Para comprobar esta hipótesis, se realizaron simulaciones computacionales que reprodujeran las características del espectro observado. Así encontraron que se requería densidades extremas; en estas condiciones, los fotones son absorbidos, reemitidos y dispersados numerosas veces antes de escapar.

Otro resultado interesante es que el modelo apenas necesita polvo para explicar el color rojizo del objeto. El modelo funciona con una extinción muy pequeña (aprox. 0.15) lo que indica que el color rojo no se debe principalmente al polvo sino a la enorme opacidad del gas.

Además, una envoltura tan densa absorbe gran parte de la radiación de alta energía emitida cerca del agujero negro, lo que también explica la escasa emisión de rayos X observada en este tipo de objetos. Aunque el modelo todavía presenta pequeñas discrepancias cerca de la discontinuidad de Balmer, consigue reproducir la mayor parte de las características del espectro, proporcionando una explicación convincente para la naturaleza de MoM-BH*-1.

Más allá de un solo objeto

Una de las implicaciones más interesantes del trabajo es que este modelo podría explicar la naturaleza de muchos Little Red Dots descubiertos por JWST. Además, este trabajo muestra que un espectro es mucho más que una sucesión de líneas, es una herramienta para reconstruir las características de un objeto.