¿Cómo crecieron tan rápido los agujeros negros supermasivos?

Los agujeros negros en el universo temprano plantean un pequeño problema. Según las observaciones de los telescopios en la Tierra y en el espacio, sabemos que algunos agujeros negros crecieron hasta tener mil millones de veces la masa del sol solo mil millones de años después del Big Bang. Sin embargo, nuestros modelos actuales de crecimiento de agujeros negros no pueden explicar esta velocidad de crecimiento. Entonces, ¿cómo surgieron estos agujeros negros supermasivos?

Este es un problema que ha llevado de cabeza a los astrónomos desde hace mucho tiempo. Nuestro conocimiento actual sugiere que en este marco de tiempo, solo los llamados agujeros negros de masa intermedia de hasta 100.000 veces la masa de nuestro Sol deberían haber podido crecer. Y aunque se han propuesto varias teorías para este rápido crecimiento temprano de los agujeros negros, la respuesta sigue siendo difícil de alcanzar.

"Esto sigue siendo un gran problema en astrofísica", comenta John Regan, astrofísico de la Dublin City University, Irlanda.

Los agujeros negros se forman después de que una estrella masiva se queda sin combustible, a veces como resultado de una supernova y otras veces sin supernova, lo que se denomina escenario de colapso directo. Una vez que a una estrella no le queda combustible para quemar, ya no puede soportar su masa y colapsa. Si la masa de la estrella fuera lo suficientemente grande, colapsará en un objeto con un inmenso tirón gravitacional del que nada, ni siquiera la luz, puede escapar: un agujero negro.

A medida que el agujero negro atrae gradualmente más y más polvo y gas cercanos, puede crecer en tamaño, alcanzando eventualmente las proporciones gigantes de un agujero negro supermasivo, como el primero que se fotografió en abril de 2019. Los científicos ahora están investigando si los agujeros negros supermasivos podría haberse formado a partir de estrellas supermasivas que colapsaron para formar grandes agujeros negros "semilla", lo que les dio una ventaja en su crecimiento.

Regan coordinó un proyecto llamado SmartStars, que utilizó uno de los superordenadores más poderosos de Irlanda, ICHEC, para modelar cómo las estrellas supergigantes podrían proporcionar las semillas para los agujeros negros supermasivos. El equipo quería ver si estas estrellas podían explicar el rápido crecimiento de los agujeros negros supermasivos, que hoy vemos en el centro de casi todas las galaxias.

 

250.000

Descubrieron que tales estrellas podrían crecer hasta 250.000 veces la masa del sol en 200 millones de años después del Big Bang, un resultado tentador. Sin embargo, incluso los superordenadores tienen sus limitaciones. Los investigadores solo pudieron modelar el futuro de tales estrellas durante un millón de años, pero el modelado debe cubrir 800 millones de años para ver si estas estrellas realmente podrían ser las semillas de agujeros negros supermasivos.

"Es un punto de partida realmente excelente", aclara Regan. "Durante la próxima generación de superordenadores podremos llevar esas simulaciones cada vez más lejos".

Otras teorías sobre cómo estos agujeros negros crecieron tan rápidamente son que una pequeña fracción de los agujeros negros creció a un ritmo increíble, o que los agujeros negros más pequeños se fusionaron para convertirse en un agujero negro supermasivo.

Muhammad Latif, astrofísico de la Universidad de los Emiratos Árabes Unidos en Abu Dhabi, está de acuerdo con Regan en que el modelo de estrella supermasiva sigue siendo nuestra mejor teoría en este momento. Latif fue investigador principal del proyecto FIRSTBHs que, como SmartStars, investigó la plausibilidad del modelo de estrella supermasiva, utilizando simulaciones en un superordenador en Francia.

Su proyecto, que se llevó a cabo en el CNRS en Francia, mostró que las estrellas supermasivas podrían producir agujeros negros semilla cientos de miles de veces la masa de nuestro sol. "Descubrimos que este método es básicamente factible", dijo Latif y explicó que estos agujeros negros semilla iniciales son lo suficientemente grandes como para explicar el crecimiento de agujeros negros supermasivos de mil millones de masas solares en un período de tiempo reducido.

Sin embargo, se requiere que las condiciones en el universo temprano fueran las adecuadas para que se formaran estos agujeros negros. Se necesitarían grandes cantidades de material hecho de hidrógeno y helio para formar suficientes agujeros negros semilla masivos para producir agujeros negros supermasivos, lo que parece haber sido posible.

Pero otros factores inexplicables significan que esto sigue siendo una pregunta abierta. Los agujeros negros semilla necesitarían atraer materia a una tasa de al menos 0,1 masas solares por año, por ejemplo, y por el momento no está claro si esto es posible.

 

Observatorios

Varios observatorios ya nos están permitiendo sondear los agujeros negros en el universo temprano con gran detalle. En octubre de 2019, los astrónomos anunciaron que habían utilizado el Atacama Large Millimeter / submillimetre Array (ALMA) en Chile para encontrar un anillo grueso de polvo y gas alrededor de un agujero negro supermasivo dentro de una galaxia distante. Con dos corrientes de gas girando en direcciones opuestas, se cree que este anillo podría haber alimentado al agujero negro supermasivo con suficiente material para hacer que crezca rápidamente.


Anteriormente, en agosto de 2019, el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA logró detectar un agujero negro llamado "encubierto" que crecía rápidamente cuando el universo tenía solo el 6% de su edad actual. Una espesa nube de gas oculta el agujero negro y su cuásar resultante, una región brillante de material sobrecalentado que lo rodea, pero Chandra pudo detectarlo al ver que los rayos X emergían de la nube.

Sin embargo, es probable que se necesiten telescopios futuros para estudiar el rápido crecimiento de los agujeros negros supermasivos con aún más detalle. Por ejemplo, aunque podemos predecir la existencia de agujeros negros semilla, todavía no podemos verlos. El próximo telescopio espacial James Webb de la NASA (JWST), que se lanzará en 2021, puede ser capaz de detectar algunos de los agujeros negros semilla no descubiertos.

Mientras tanto, el Telescopio Avanzado de Astrofísica de Alta Energía de la Agencia Espacial Europea (ATHENA), que se lanzará en 2031, debería darnos una mejor comprensión de cómo surgen los agujeros negros supermasivos.

"Todo el mundo tiene muchas esperanzas de que obtengamos una imagen bastante mejor con la misión ATHENA", expone Latif. Y tal vez pronto, finalmente sepamos cómo estos enormes objetos crecieron tanto en tan poco tiempo.

"Es como ir al jardín de infancia y encontrar un bebé de dos metros y medio".

 


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