Els puntets vermells (Little Red Dots, LRDs) són un dels descobriments més importants del telescopi espacial James Webb (JWST), i podrien representar una nova fase crucial de l'evolució dels quàsars en nuclis galàctics: el naixements dels primers forats negres supermassius.
El descobriment dels quàsars
Quan l'astrònom neerlandès Maarten Schmidt va descobrir els quàsars l'any 1963, l'univers conegut es va engrandir de sobte: eren els objectes més llunyans detectats fins aleshores. Els quàsars són fonts de llum puntuals, situats a grans distàncies, que impliquen una lluminositat enorme, de fins a 100 vegades la de tota la Via Làctia.
La hipòtesi que aviat es va proposar per a aquests objectes capaços d'emetre tanta llum des d'un espai tan compacte és que són forats negres supermassius que atrapen material del seu entorn i formen un disc de plasma escalfat fins a temperatures molt més altes que les de qualsevol estrella.
Abans de caure inexorablement darrere de l'horitzó del forat negre i desaparèixer per sempre, la matèria pot convertir una gran part de la seva massa en repòs en l'energia de la intensa llum que veiem (entre un 5 % i un 40 %, molt més eficient que la fusió nuclear que alimenta les estrelles).
Aquesta explicació es va veure confirmada pels feixos de ràdio superlumínics, que són plasma expulsat des dels pols de rotació del forat negre a velocitats de fins al 99 % de la de la llum.
La formació dels forats negres
Com es poden formar aquests forats negres tan massius, de fins a milers de milions de masses solars en els casos més extrems, al nucli d'una galàxia? És una de les grans incògnites que plantegen els quàsars.
La idea més simple és que es formessin a partir de les primeres estrelles massives de l'univers, que van col·lapsar en forats negres al final de la seva breu vida. Aquests primers forats negres, segons hem descobert a través de les ones gravitacionals detectades per LIGO i Virgo, ja podien arribar a tenir fins a unes 50 masses solars.
Continuant amb la hipòtesi, aquests forats negres estel·lars es devien concentrar als nuclis galàctics, on podrien créixer acretant (o recollint) matèria de l'entorn i fusionant-se entre ells fins a assolir les masses dels forats negres nuclears responsables dels quàsars.
Aquesta idea comporta una possible dificultat: si els quàsars creixen acretant matèria d'un disc, la seva lluminositat es veu limitada per un valor màxim possible perquè la matèria continuï acretant, anomenat la lluminositat d'Eddington, i per un ritme màxim d'acreció del disc, que implica que calen uns 30 milions d'anys per duplicar la massa del forat negre.
Però els quàsars més lluminosos han estat descoberts a distàncies molt grans, on els veiem quan l'univers encara era molt jove, amb només uns 600 milions d'anys d'edat (l'edat actual de l'univers és de 13 800 milions d'anys).
Alguna cosa no encaixava. Segons la teoria actual de la formació de galàxies, anomenada teoria de la matèria fosca freda, les primeres estrelles es van formar quan l'univers tenia uns 300 milions d'anys. Amb 300 milions d'anys més no hi ha prou temps per a fer créixer els forats negres (deu duplicacions de la massa ens donen un creixement per un factor 2¹⁰, o un factor 1000 aproximadament, insuficient per créixer des de la massa d'un forat negre estel·lar fins a la d'un quàsar).
Els models també indiquen que és difícil produir tantes fusions com serien necessàries per augmentar la massa més ràpidament.
El model de l'estrella forat negre
Altres idees més exòtiques han invocat la possibilitat de forats negres primordials, formats ja des del primer segon de vida de l'univers. Però hi ha una solució menys radical: si aboquem una gran quantitat de matèria sobre un forat negre, la densitat del gas pot ser tan alta que la llum emesa no en pot escapar i acaba caient també dins del forat.
Així es pot produir una acreció super-Eddington (un procés en què un objecte compacte, com un forat negre, absorbeix gas i matèria a un ritme apujat com a conseqüència d'una reducció de l'eficiència amb la qual s'emet la llum) i un creixement més ràpid del forat negre. L'alta densitat del gas que l'envolta pot donar lloc a un capoll, una estructura opaca que l'envolta i absorbeix el quàsar central, i crea una atmosfera gegant semblant a la d'una estrella. Així és com aquest model va ser batejat com a estrella forat negre.
Els puntets vermells: la solució?
Entrem ara en el nou descobriment del telescopi espacial JWST, que observa l'univers en llum infraroja des de l'any 2022: els puntets vermells.
Són noves fonts de llum vermella molt compactes amb algunes característiques dels quàsars (línies d'emissió que indiquen ionització i grans velocitats a prop del forat negre, a més d'una gran lluminositat que sorgeix d'una regió molt compacta). Tanmateix, són molt diferents en altres aspectes: no hi veiem ni raigs X ni ràdio, la llum és més vermella i el seu espectre mostra la discontinuïtat de Balmer (un salt o una caiguda sobtada en la intensitat de l'espectre continu d'una estrella produït per l'absorció de l'hidrogen), característica de les atmosferes estel·lars.
Tot i que al principi alguns cosmòlegs van interpretar això últim com l'evidència que els puntets vermells són llum d'estrelles joves sense relació amb els quàsars, diverses observacions recents mostren característiques de les seves línies d'emissió indicatives de grans densitats de plasma i de l'atmosfera gegant que s'espera en el model de l'estrella forat negre, que expliquen la discontinuïtat de Balmer i altres detalls dels puntets vermells.
Això ha decantat l'evidència a favor del capoll que oculta un quàsar durant el procés de formació, amb el forat negre com a motor principal de la llum que veiem, però ocult per amagar el seu aspecte habitual en els quàsars ja plenament formats.
Caldrà continuar investigant aquesta idea amb més observacions que aclareixin la naturalesa dels puntets vermells.
Van arribar abans que els quàsars
De moment, les dades ja confirmen que els puntets vermells van tenir el seu pic de màxima activitat abans que els quàsars. La seva abundància va disminuir ràpidament quan l'univers tenia uns 3 000 milions d'anys, mentre que els quàsars tot just començaven el seu descens fins a arribar a l'univers actual, en què són una raresa en comparació amb la seva època d'esplendor.
Les observacions donen suport a la idea que els puntets vermells són quàsars en formació, on el forat negre creix ràpidament al nucli d'una galàxia jove. El gas dens que alimenta aquest creixement forma un capoll que l'oculta i ens impedeix veure el quàsar amb tota la seva majestuositat fins uns quants milions d'anys més tard.