Los agujeros negros supermasivos son algunos de los objetos más impresionantes (y aterradores) del universo, con masas alrededor de mil millones de veces más que la del Sol. Y sabemos que existen desde hace mucho tiempo.
De hecho, los astrónomos han detectado las fuentes compactas extremadamente luminosas que se encuentran en los centros de las galaxias, conocidas como cuásares (agujeros negros supermasivos de rápido crecimiento), cuando el universo tenía menos de mil millones de años.
Ahora nuestro nuevo estudio, publicado en Cartas de revistas astrofísicasha utilizado observaciones del Telescopio Espacial Hubble para mostrar que había muchos más agujeros negros (mucho menos luminosos) en el universo temprano de lo que habían sugerido estimaciones anteriores. Curiosamente, esto puede ayudarnos a comprender cómo se formaron y por qué muchos de ellos parecen tener más masa de lo esperado.
Los agujeros negros crecen al tragar el material que los rodea, en un proceso conocido como acreción. Esto produce enormes cantidades de radiación. La presión de esta radiación pone un límite fundamental sobre la rapidez con la que pueden crecer los agujeros negros.
Por lo tanto, los científicos se enfrentaron a un desafío al explicar estos primeros cuásares masivos: sin mucho tiempo cósmico para alimentarse, debieron haber crecido más rápido de lo físicamente posible o haber nacido sorprendentemente masivos.
Semillas ligeras versus pesadas
Pero, ¿cómo se forman los agujeros negros? Existen varias posibilidades. La primera es la llamada agujeros negros primordiales Han existido desde poco después del Big Bang. Si bien es posible que se trate de agujeros negros con masas bajas, los agujeros negros masivos no pueden haberse formado en cantidades significativas según el modelo estándar de cosmología.
Los agujeros negros definitivamente pueden formarse (ahora verificado por la astronomía de ondas gravitacionales) en las etapas finales de las cortas vidas de algunas estrellas masivas normales. En principio, estos agujeros negros podrían crecer rápidamente si se formaran en cúmulos de estrellas extremadamente densos donde las estrellas y los agujeros negros podrían fusionarse. Son estas “semillas de masa estelar” de agujeros negros las que necesitarían crecer demasiado rápido.
Westerlund 1 es el más grande y el más cercano.
NASA
La alternativa es que podrían formarse a partir de “semillas pesadas”, con masas alrededor de 1.000 veces mayores que las estrellas masivas conocidas. Uno de esos mecanismos es el “colapso directo”, en el que las primeras estructuras de una sustancia desconocida e invisible conocida como materia oscura confinaban nubes de gas, mientras que la radiación de fondo les impedía formar estrellas. En cambio, colapsaron en agujeros negros.
El problema es que sólo una minoría de los halos de materia oscura crecen lo suficiente como para formar tales semillas. Así que esto sólo funciona como explicación si los primeros agujeros negros son lo suficientemente raros.
Demasiados agujeros negros
Durante años hemos tenido una buena idea de cuántas galaxias existieron en los primeros mil millones de años del tiempo cósmico. Sin embargo, encontrar agujeros negros en estos entornos fue un gran desafío (sólo se pudieron probar cuásares luminosos).
Aunque los agujeros negros crecen al tragar el material circundante, esto no sucede a un ritmo constante: dividen su alimentación en “harinas”, lo que hace que su brillo varíe con el tiempo. Monitoreamos algunas de las primeras galaxias en busca de cambios en el brillo durante un período de 15 años y usamos esto para hacer un nuevo censo de cuántos agujeros negros hay.
Resulta que en las galaxias primitivas ordinarias residen varias veces más agujeros negros de lo que pensábamos originalmente.
Ha comenzado otro trabajo pionero reciente con el Telescopio Espacial James Webb (JSTW) para llegar a conclusiones similares. En total, tenemos más agujeros negros de los que pueden formarse por colapso directo.
Existe otra forma, más exótica, de formar agujeros negros que podría producir semillas masivas y abundantes. Las estrellas se forman por contracción gravitacional de nubes de gas: si se pueden capturar cantidades significativas de partículas de materia oscura durante la fase de contracción, entonces la estructura interna podría modificarse por completo — y se evitó la ignición nuclear.
Por lo tanto, el crecimiento podría continuar durante muchas veces más que la vida típica de una estrella ordinaria, lo que les permitiría volverse mucho más masivas. Sin embargo, al igual que las estrellas ordinarias y los objetos que colapsan directamente, en última instancia nada es capaz de resistir la abrumadora fuerza de la gravedad. Esto significa que estas “estrellas oscuras” también deberían colapsar eventualmente para formar agujeros negros masivos.
Ahora creemos que deberían haber tenido lugar procesos similares a este para formar la gran cantidad de agujeros negros que observamos en el universo infantil.
Planes futuros
Los estudios sobre la formación temprana de agujeros negros han experimentado una transformación en los últimos dos años, pero en cierto sentido, este campo apenas está comenzando.
Nuevos observatorios en el espacio, como la misión euclidiana o el Telescopio espacial romano Nancy Gracecompletará nuestro censo de quásares más débiles en los primeros tiempos. El Nueva misión Atenas y el Matriz de kilómetros cuadradosen Australia y Sudáfrica, desbloqueará nuestra comprensión de muchos de los procesos que rodearon a los agujeros negros en sus inicios.
Pero en realidad es el JWST el que debemos vigilar en lo inmediato. Con su sensibilidad para obtener imágenes y monitoreo y capacidades espectroscópicas para ver la actividad muy débil de los agujeros negros, esperamos que en los próximos cinco años realmente se puedan precisar los números de los agujeros negros a medida que se formaban las primeras galaxias.
Incluso podemos captar la formación de un agujero negro en el acto, al presenciar las explosiones asociadas con el colapso de las primeras estrellas prístinas. Los modelos dicen que esto es posible, pero exigirá un esfuerzo coordinado y dedicado por parte de los astrónomos.
Este artículo fue publicado originalmente en La conversación por Mateo J. Hayes en Universidad de Estocolmo. Lea el artículo original aquí.
