Un grupo de investigadores ha planteado un posible origen para los agujeros negros supermasivos. Es una hipótesis que se aleja de lo que se había observado hasta ahora. Puede que estas bestias cósmicas colapsasen directamente sobre sí mismas…

El dilema de los agujeros negros supermasivos

Los agujeros negros supermasivos son gigantescos. Tienen millones de veces la masa del Sol. Su formación se puede explicar, en el universo moderno, con bastante sencillez. El colapso de una estrella (con al menos cinco veces la masa de nuestro astro) provoca la formación de un agujero negro de masa estelar. Con el tiempo, ese pequeño agujero negro va absorbiendo material y termina adquiriendo un tamaño monstruoso. Sobre el papel, parece un mecanismo sencillo y lógico. Pero también es extremadamente lento.

Un posible origen para los agujeros negros supermasivos
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Ilustración artística de un agujero negro con una corona de materia, observado en rayos X. Crédito: NASA/JPL-Caltech

El problema estriba, precisamente, en esa lentitud. Las observaciones del universo distante han mostrado la existencia de agujeros negros supermasivos, completamente formados, antes de que el universo tuviese, siquiera, 800 millones de años. Dicho de otra manera, si nos ceñimos al modelo del crecimiento desde un agujero negro de masa estelar, se formaron demasiado rápido. Esos agujeros negros supermasivos no deberían estar presentes en las primeras etapas del cosmos. Y sin embargo, ahí están. ¿Cómo es posible?

Es una de las grandes preguntas de la astronomía moderna. No hay que olvidar que los agujeros negros supermasivos se encuentran en el centro de las galaxias grandes, como nuestra Vía Láctea, la vecina Andrómeda, o Messier 87, cuyo agujero negro supermasivo fue observado a principios de 2019. Si el modelo de crecimiento desde un agujero negro de masa estelar no sirve, tuvo que haber algún otro mecanismo. ¿Cuál exactamente? Dos investigadores de la Universidad de Ontario Occidental creen que pudo suceder a partir de algo llamado colapso directo.

Un posible origen para los agujeros negros supermasivos… pero difícil de explicar

En esta teoría, plantean que el posible origen de los agujeros negros supermasivos es el colapso directo. Es decir, se formaron inmediatamente, sin necesidad de una estrella previa. Crecieron de forma extremadamente rápida. Y, casi a la misma velocidad, su crecimiento también se vio interrumpido de una manera abrupta. Para explicarlo, recurren al límite de Eddington. Indica la luminosidad máxima de un objeto manteniendo un equilibrio entre su radiación (que empuja todo lejos del centro) y su gravedad (que atrae todo al centro).

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

En el caso de estos agujeros negros supermasivos, el límite de Eddington indicaría su ritmo de crecimiento. Explican que, en algunos casos, pueden incluso superar ese límite (por un margen pequeño). Pero su crecimiento se ve detenido por la radiación producida por estrellas a su alrededor, así como otros agujeros negros. Es un mecanismo que permite que, en un período de tiempo pequeño, puedan crecer rápidamente. Toda la radiación del universo provocó que, simplemente, no pudiesen seguir creciendo incluso más allá.

Los investigadores también apuntan a que hay evidencias indirectas que apuntan a que su idea del colapso directo podría estar bien encaminada. En este escenario, las estrellas no intervienen de ninguna manera. Un agujero negro supermasivo se formaría directamente a partir del colapso del material. Sin formar ningún tipo de estrella. Es un planteamiento interesante, pero hay muchas preguntas en el aire. Uno de los puntos más importantes, sin duda, será lograr evidencias directas que apunten a que esta idea podría ser acertada.

Entendiendo las primeras etapas del cosmos

Los primeros cientos de millones de años del universo son muy complicados de estudiar. No solo por la extrema distancia para observar las galaxias más lejanas. También por la dificultad para estudiar muchos fenómenos. En ese sentido, esta teoría es un soplo de aire fresco. Aporta una explicación posible y que, sobre el papel, parece funcionar, para explicar cómo se pueden formar los agujeros negros supermasivos. Pero hará falta más observaciones y, seguramente, más estudios, para dar forma a la posibilidad del colapso directo.

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Concepto artístico de un agujero negro supermasivo muy distante y que se formó 690 millones de años tras el Big Bang. Crédito: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science

En los últimos años, se han descubierto varios agujeros negros supermasivos extremadamente masivos, con más de mil millones de veces la masa del Sol, antes de que el universo cumpliese 800 millones de años. El colapso directo permite que la masa inicial del agujero negro, al formarse, sea muchísimo más alta que la que obtendríamos de un agujero negro de masa estelar. En aquella época, las nubes de gas y polvo podían ser extremadamente grandes. De ellas debió surgir la primera generación de estrellas, la población III.

Esas estrellas estaban compuestas, únicamente, por los elementos disponibles tras el Big Bang (hidrógeno, helio y en menor medida litio). Si esta teoría resulta ser cierta, puede que nos encontremos con un escenario intrigante. Que tanto las primeras estrellas del universo, como los agujeros negros supermasivos, se formasen aproximadamente a la vez. Quizás en los próximos años, con nuevos estudios y más observaciones, tengamos una mejor idea de cómo fueron los primeros momentos del universo. Pero, ¿estarán en lo cierto?

Estudio

El estudio es S. Basu y A. Das; «The Mass Function of Supermassive Black Holes in the Direct-collapse Scenario». Publicado en la revista The Astrophysical Journal Letters el 28 de junio de 2019. Puede ser consultado en arXiv.

Referencias: Universe Today, EurekAlert