Los astrónomos han encontrado algunos agujeros negros supermasivos extremadamente antiguos, que se formaron cuando el Universo era bastante joven. Pero estaban perplejos de cómo un agujero negro podría crecer a un tamaño tan tremendo cuando el Universo mismo era solo un niño pequeño.
Los astrónomos ahora han encontrado un conjunto único de condiciones que estaban presentes medio billón de años después del Big Bang que permitieron la formación de estos monstruosos agujeros negros. Una fuente inusual de radiación intensa creó los llamados "agujeros negros de colapso directo".
"Es un milagro cósmico", dijo Volker Bromm de la Universidad de Texas en Austin, quien trabajó con varios astrónomos en el hallazgo. "Es el único momento en la historia del universo cuando las condiciones son las adecuadas para que se formen".
La comprensión convencional de cómo se forman los agujeros negros se llama teoría de la acumulación, donde una estrella extremadamente masiva se derrumba y las "semillas" de los agujeros negros se construyen a partir del colapso al extraer el gas de su entorno y mediante la fusión de agujeros negros más pequeños. Pero ese proceso lleva mucho tiempo, mucho más que el tiempo en que estos agujeros negros que se formaban rápidamente existían. Además, el universo primitivo no tenía las cantidades de gas y polvo necesarias para que los agujeros negros supermasivos crecieran hasta su tamaño gigantesco.
Los nuevos hallazgos sugieren en cambio que algunos de los primeros agujeros negros se formaron directamente cuando una nube de gas colapsó, sin pasar por otras fases intermedias, como la formación y posterior destrucción de una estrella masiva.
Por supuesto, como cualquier agujero negro, estos agujeros negros de "colapso directo" no se pueden ver. Pero había una fuerte evidencia de su existencia, ya que son necesarios para alimentar los cuásares altamente luminosos detectados en el universo joven. El gran brillo de un cuásar proviene de la materia en espiral en un agujero negro supermasivo, que se calienta a millones de grados, creando chorros que brillan como balizas en todo el Universo. Pero como la teoría de la acumulación no explica los agujeros negros supermasivos en un universo extremadamente distante, y por lo tanto joven, los astrónomos tampoco pudieron explicar los quásares. Esto se ha llamado "el problema de la semilla del cuásar".
"Los cuásares observados en el universo primitivo se asemejan a bebés gigantes en una sala de partos llena de bebés normales", dijo Avi Loeb del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica, que trabajó con Bromm. “Uno se pregunta: ¿qué tiene de especial el medio ambiente que alimentó a estos bebés gigantes? Por lo general, el depósito de gas frío en las galaxias cercanas, como la Vía Láctea, se consume principalmente por la formación de estrellas ".
Pero en 2003, a Bromm y Loeb se les ocurrió una idea teórica para lograr que una galaxia temprana formara un agujero negro de semilla supermasivo, al suprimir la entrada de energía de otra manera prohibitiva de la formación de estrellas. Llamaron al proceso "colapso directo".
"Comience con una" nube primordial de hidrógeno y helio, sumergida en un mar de radiación ultravioleta ", dijo Bromm. “Rompes esta nube en el campo gravitacional de un halo de materia oscura. Normalmente, la nube podría enfriarse y fragmentarse para formar estrellas. Sin embargo, los fotones ultravioleta mantienen el gas caliente, suprimiendo así la formación de estrellas. Estas son las condiciones deseadas, casi milagrosas: ¡colapso sin fragmentación! A medida que el gas se vuelve más y más compacto, eventualmente tienes las condiciones para un agujero negro masivo ”.
Este conjunto de condiciones cósmicas parece haber existido solo en el universo primitivo, y este proceso no ocurre hoy en las galaxias.
Para probar su teoría, Bromm, Loeb y su colega Aaron Smith comenzaron a estudiar una galaxia llamada CR7, identificada por una encuesta del telescopio espacial Hubble llamada COSMOS que existía a menos de mil millones de años después del Big Bang.
David Sobral, de la Universidad de Lisboa, realizó observaciones de seguimiento de CR7 con algunos de los telescopios terrestres más grandes del mundo, incluidos Keck y el VLT. Estos descubrieron algunas características extremadamente inusuales en la firma ligera proveniente de CR7. Específicamente, la línea de hidrógeno Lyman-alpha fue varias veces más brillante de lo esperado. Sorprendentemente, el espectro también mostró una línea de helio inusualmente brillante.
"Lo que sea que esté impulsando esta fuente es muy caliente, lo suficientemente caliente como para ionizar helio", dijo Smith, a unos 100,000 grados Celsius.
Estas y otras características inusuales en el espectro significaron que podría ser un grupo de estrellas primordiales o un agujero negro supermasivo probablemente formado por colapso directo.
Smith realizó simulaciones para ambos escenarios y aunque el escenario del cúmulo estelar "falló espectacularmente", dijo Smith, el modelo de colapso directo del agujero negro funcionó bien.
Además, a principios de este año, los investigadores utilizaron datos combinados del Observatorio de rayos X Chandra, el telescopio espacial Hubble y el telescopio espacial Spitzer para identificar estas posibles semillas de agujeros negros. Encontraron dos objetos, ambos coincidían con el perfil teórico en los datos infrarrojos. (lea su periódico aquí)
Parece que los astrónomos están "convergiendo en este modelo", dijo Smith, para resolver el problema de las semillas del cuásar y el enigma del agujero negro.
Manténganse al tanto.
El trabajo de Bromm, Loeb y Smith se publica en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Fuentes:
RAS, Harvard-Smithsonian CfA, Comunicado de prensa para la detección de agujeros negros por colapso directo de la NASA a principios de este año.
