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Agujeros negros supermasivos: ¿cómo se forman?

En el centro de la Vía Láctea habita un agujero negro de dimensiones descomunales. Acumula más de cuatro millones de veces la masa del Sol y domina el movimiento y el destino de todo cuanto le rodea. Se trata de un agujero negro supermasivo, considerado como el objeto más grande y masivo de nuestra galaxia.

Agujeros negros supermasivos: ¿cómo se forman? (Jose Luis Oltra)
La mayoría de galaxias (de galaxias normales, a diferencia de las galaxias enanas, como las decenas que orbitan alrededor de la nuestra) incluyen en su región central un agujero negro de este tipo, si no todas. Los más grandes alcanzan masas de decenas de miles de millones de veces la masa del Sol y los más humildes, apenas acumulan cientos de miles de veces la masa de nuestra estrella.
Además, esas galaxias contienen cada una de ellas millones de agujeros negros con masas más convencionales. Estos son el resultado del colapso de una estrella gigante tras agotar todo su combustible y detenerse la fusión nuclear que la hacía brillar. Sus masas son de, como mucho, decenas de veces la masa del Sol y pueden llegar a ser más ligeros que nuestra estrella. Sin embargo, no conocemos agujeros negros de masas intermedias, situados entre los más habituales y pequeños agujeros negros de origen estelar y los gigantescos agujeros negros supermasivos que ocupan el centro de las galaxias.
Puesto que hemos observado miles de agujeros negros supermasivos, algunos pertenecientes a galaxias jóvenes y lejanas, esperaríamos conocer objetos de este tipo en todas las fases de su vida. Objetos tan increíblemente masivos no podrían formarse repentinamente, sino que deben haber ido creciendo a lo largo de los últimos miles de millones de años. Actualmente no se conocen agujeros negros con masas de cientos, miles o decenas de miles la masa del Sol, lo cual supone un problema para entender cómo se forman los AN supermasivos. Esperaríamos poder observar alguno de ellos en su infancia, cuando ya se hubieran diferenciado de sus hermanos estelares, pero aún no acumularan millones de masas solares.
El único agujero negro de este tipo que conocemos es el resultante de la colisión de dos agujeros negros más pequeños, cuyas ondas gravitatorias fueron observadas en 2019. En este caso dos AN de 85 y 65 veces la masa del Sol cada uno colisionaron. Tras la colisión formaron un agujero negro de 142 masas solares. Las 8 masas solares restantes fueron emitidas en forma de ondas gravitatorias. Aunque esta observación arroja algo de luz al problema de los agujeros negros de masa intermedia, no consigue resolverlo. Además, agujeros negros de este tipo no podrían formarse en cualquier lugar del universo o del interior de una galaxia. En general los brazos de la Vía Láctea están esencialmente vacíos. Contienen gran cantidad de estrellas, nubes de gas y otras cosas, pero las distancias que separan a cada objeto del resto son tan grandes, que el tiempo necesario para acumular miles de veces la masa del Sol por colisiones fortuitas serían mucho más grande que la edad del universo. El núcleo de una galaxia o el interior de los cúmulos de estrellas especialmente grandes serían las únicas regiones con la concentración suficiente de materia como para formar objetos así.
Cómo se forman los agujeros negros supermasivos

A pesar de que la grandísima mayoría de galaxias similares a la nuestra contengan un gujero negro supermasivo en su núcleo, no conocíamos ninguna galaxia enana, como las decenas que orbitan alrededor de la Vía Láctea o Andrómeda que contuviera uno, hasta hace poco más de un año. Recientemente se ha descubierto que la galaxia enana Leo I, situada a algo más de 800 000 año luz de nuestra galaxia contiene en su interior un agujero negro supermasivo. Esta galaxia enana es uno de los satélites más distantes de nuestra propia galaxia y es verdaderamente enana. Tiene una masa unas cien mil veces menor a la de nuestra galaxia, con un tamaño de apenas dos mil años luz, frente a los noventa mil años luz de diámetro de la Vía Láctea. En su región central sin embargo alberga un agujero negro supermasivo de unos 3 millones de veces la masa del Sol, o un 75 % de la masa del ANS de nuestra galaxia.
Este agujero negro que ocupa el centro de Leo I supondría por tanto un 15 % de su masa total, aproximadamente. Esto es especialmente llamativo teniendo en cuenta que el ANS de la Vía Láctea supone aproximadamente un 0’0001 % de su masa. Según lo poco que entendemos sobre la formación de este tipo de objetos, ese agujero negro no debería haber sido capaz de acumular tanta masa. Pero ahí está, por lo que nuestro objetivo ahora es estudiarlo a fondo para intentar entenderlo. Recientemente astrónomos del Centro de Astrofísica Harvard & Smithsonian han propuesto una forma de observar dicho agujero negro. La galaxia enana que lo contiene está especialmente desprovista de gas, por lo que hay poco material cayendo al agujero negro. Sin embargo, si alguna de las estrellas que lo orbitan llegara a caer, podríamos observar la luz emitida en el destructor proceso.
Referencias:
Fabio Pacucci, Abraham Loeb. Accretion from Winds of Red Giant Branch Stars May Reveal the Supermassive Black Hole in Leo I. The Astrophysical Journal Letters, 2022; 940 (2): L33 DOI: 10.3847/2041-8213/ac9b21
Bustamante-Rosell, M. J. et al (2021). "Dynamical Analysis of the Dark Matter and Central Black Hole Mass in the Dwarf Spheroidal Leo I". The Astrophysical Journal. 921 (2), doi:10.3847/1538-4357/ac0c79
Abbott, R.; et al. (2 September 2020). "Properties and Astrophysical Implications of the 150 M ⊙ Binary Black Hole Merger GW190521". The Astrophysical Journal. 900 (1), doi:10.3847/2041-8213/aba493

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