Los campos magnéticos pudieron ser clave en la formación de los primeros agujeros negros supermasivos. Es un mecanismo que permitiría explicar cómo pudieron formarse en los primeros cientos de millones de años del universo. En este escenario, no llegaron a convertirse en estrellas…

Los campos magnéticos pudieron propiciar la formación de los primeros agujeros negros supermasivos

Uno de los grandes misterios de la infancia del universo es cómo se pudieron formar los primeros agujeros negros supermasivos. En esencia, los mecanismos tradicionales (por medio del colapso de estrellas masivas al final de su vida) son demasiado lentos para explicar cómo podían existir en los primeros cientos de millones de años. Una explicación alternativa es que, directamente, pudo haber grandes regiones de gas y polvo que colapsasen directamente hacia agujeros negros. No llegaron a pasar por la fase de estrella masiva.

Los campos magnéticos y los agujeros negros supermasivos
Recreación artística de un agujero negro supermasivo devorando materia de un disco de acreción. Crédito: XMM-Newton, ESA, NASA

Esto permitiría formar agujeros negros masivos con mucha rapidez. Es un mecanismo conocido como agujeros negros por colapso directo. El inconveniente es que, hasta ahora, el papel de los campos magnéticos, en la formación de esos agujeros negros, no estaba muy claro. En estudios anteriores, simplemente, no se había logrado simular el período completo de formación de ese agujero negro. Con la ayuda de simulaciones magnetohidrodinámicas cosmológicas en 3D han logrado estudiar la formación de agujeros negros por este mecanismo.

Han observado que los campos magnéticos crecen con los discos de acreción (que darán lugar al colapso directo) y los estabilizan a lo largo del tiempo. En el estudio explican que las semillas de los agujeros negros, en este mecanismo, eran muy masivas. Generalmente, acumulaban un millón de veces la masa del Sol. Existieron cuando el universo tenía entre 100 y 250 millones de años. Estas semillas se formaban directamente a partir de enormes nubes de gas y polvo. Algo que los diferencia de los agujeros negros formados por el colapso de las primeras estrellas del cosmos.

Los agujeros negros más masivos posibles

El mecanismo de colapso directo permite obtener un agujero negro con una masa muy superior a los generados por el colapso de estrellas masivas (unas 10 000 masas solares frente a 100) o por colisión de astros masivos (que pueden alcanzar las 1000 masas solares). Por ello, parecen la opción más atractiva para explicar la formación de agujeros negros supermasivos en las primeras etapas del universo. El mayor obstáculo en todo este asunto es que había discrepancias claras. Lo observado no encajaba con lo que dice la teoría.

El modelo estándar de física no define ningún límite sobre la intensidad inicial del campo magnético en este entorno. Algunos modelos planteaban la presencia de campos magnéticos de poca intensidad, muy por debajo de lo que se podía observar. Por lo que, en un principio, se planteó que el impacto del campo magnético, para la formación de estos agujeros negros, podría ser muy secundario. El misterio se ha mantenido porque, en intentos anteriores para simular la formación de agujeros negros por este mecanismo, no era posible llegar muy lejos.

No había suficiente potencia de procesado para simular el proceso completo de formación. Se calcula que, aproximadamente, debía ser de 1,6 millones de años (lo mismo que debieron vivir las primeras estrellas más masivas del universo). Ahora, la tecnología ha avanzado hasta el punto de poder realizar las simulaciones. Diferentes equipos de investigadores han demostrado que los campos magnéticos pueden amplificarse en muy poco tiempo. Además, cada vez hay más evidencias sobre su existencia hace unos 13 000 millones de años.

Los campos magnéticos fueron esenciales en la aparición de los primeros agujeros negros supermasivos

Así que pudieron participar en la formación de los primeros agujeros negros supermasivos del cosmos. Con esto en mente, los investigadores realizaron simulaciones sobre la acumulación de material en una masa inicial. Es decir, algo similar a una protoestrella. Después, hicieron avanzar la simulación durante 1,6 millones de años, aproximadamente lo mismo que debieron vivir las estrellas más masivas de tipo III (las primeras del cosmos). Así pudieron calcular cuánta masa se acumulaba en el centro durante todo ese tiempo.

Ilustración de un joven agujero negro. Crédito: NASA/JPL-Caltech

En trabajos anteriores solo se había simulado el proceso durante 1000 años, en lugar de unos 2 millones. Así que no era posible saber si el ritmo de acumulación de material se podía mantener durante mucho tiempo. El estudio demuestra que es posible. Sus hallazgos permiten demostrar que los campos magnéticos fueron importantes no solo en la formación de agujeros negros supermasivos, también de estrellas masivas. Es un hallazgo que resulta muy interesante, porque podría ayudar a entender esas primeras etapas del cosmos.

El estudio permite entender cómo pudieron formarse los primeros agujeros negros supermasivos de una manera tan rápida. En el futuro, esperan estudiar la magnetización del medio interestelar e intergaláctico, así como la formación de las primeras galaxias y la evolución de los agujeros negros más masivos. En la próxima década, con la llegada de mejor tecnología, se espera seguir profundizando en este conocimiento, entendiendo mejor la formación y evolución de las primeras galaxias con telescopios como el Square Kilometer Array y el Very Large Array.

Estudio

El estudio es M. Latif, D. Schleicher y S. Khochfar; «Role of magnetic fields in the formation of direct collapse black holes». Está disponible para su consulta en la plataforma arXiv, en este enlace.

Referencias: Universe Today