Uno de los enigmas más persistentes de la astronomía es cómo los agujeros negros llegaron a ser tan grandes en un período tan corto de tiempo cósmico. Los científicos saben desde hace mucho tiempo que los agujeros negros supermasivos existieron sorprendentemente temprano en el universo, pero aún no está claro cómo llegaron a ese tamaño masivo. Ahora, un nuevo estudio publicado por investigadores de la Universidad de Maynooth (MU) en Irlanda ha proporcionado una explicación revolucionaria. Naturaleza Astronomía.
Según el equipo, la respuesta está en las condiciones extremas y caóticas del universo primitivo.
“Descubrimos que las condiciones caóticas en el universo temprano provocaron que los pequeños agujeros negros tempranos se convirtieran en agujeros negros supermasivos que luego vemos después de un frenesí de alimentación que devoró el material que los rodeaba”, dijo Daxal Mehta, candidato a doctorado en el Departamento de Física de la Universidad de Maynooth y autor principal del estudio.
Rápido crecimiento después del Big Bang
Utilizando simulaciones informáticas avanzadas, los investigadores reconstruyeron cómo se comportaron los primeros agujeros negros poco después de formarse.
“Usando simulaciones por computadora de última generación, hemos revelado que la primera generación de agujeros negros, nacida apenas unos cientos de millones de años después del Big Bang, creció increíblemente rápido hasta alcanzar varios miles de veces el tamaño de nuestro Sol”.
Estos hallazgos ayudan a explicar las sorprendentes observaciones realizadas por el Telescopio Espacial James Webb, que detectó agujeros negros masivos que existían mucho antes de lo que predecían muchas teorías.
“Este avance desvela un gran enigma en astronomía”, afirmó el Dr. Louis Prolle, becario postdoctoral en MU y miembro del equipo de investigación. “Como observó el telescopio espacial James Webb, los primeros agujeros negros nacidos en el universo pudieron alcanzar tamaños tan grandes en tan poco tiempo”.
Un frenesí de alimentación de agujeros negros
Las simulaciones apuntan a las galaxias tempranas densas y ricas en gas como el principal impulsor de este rápido crecimiento. En este entorno, los agujeros negros experimentan un crecimiento breve pero intenso a través de un proceso conocido como “súper acreción de Eddington”. Esto sucede cuando un agujero negro atrae materia más rápido de lo que la física convencional sugiere que debería poder hacerlo.
En condiciones normales, la radiación del material penetrante expulsará el gas. Sin embargo, en el universo primitivo, los agujeros negros de alguna manera continuaron alimentándose a pesar de este límite, lo que les permitió ganar masa a un ritmo inusual.
Este proceso parece proporcionar un vínculo perdido hace mucho tiempo entre las primeras estrellas del universo y los agujeros negros supermasivos que se observaron más tarde en los centros de las galaxias.
El origen de los agujeros negros revisitado
“Anteriormente se pensaba que estos pequeños agujeros negros eran demasiado pequeños para convertirse en los gigantescos agujeros negros observados en el centro de las galaxias primitivas”, dijo Daxal Mehta. “Lo que hemos demostrado aquí es que estos primeros agujeros negros, aunque pequeños, son capaces de crecer espectacularmente rápido si se dan las condiciones adecuadas”.
Los astrónomos clasifican los agujeros negros primordiales en dos categorías generales conocidas como tipos de “semilla pesada” y “semilla ligera”. Los agujeros negros semilla de luz comienzan con masas relativamente modestas, entre diez y varios cientos de veces la masa de nuestro Sol. Para ser supermasivos, deben crecer dramáticamente con el tiempo, hasta alcanzar eventualmente millones de masas solares.
Por el contrario, ya se cree que los agujeros negros de semillas pesadas son masivos y potencialmente pesan hasta cien mil veces la masa del Sol en el momento de su nacimiento.
Desafiando supuestos de larga data
Hasta ahora, muchos científicos creían que sólo los agujeros negros de semillas pesadas podían explicar la aparición de agujeros negros supermasivos en el universo primitivo.
“En este momento no estamos tan seguros”, dijo el Dr. John Regan del departamento de física de MU y líder del equipo de investigación. “Las semillas pesadas son algo más exóticas y pueden requerir condiciones raras para formarse. Nuestras simulaciones muestran que los agujeros negros estelares de su ‘variedad de jardín’ podrían crecer a tasas extremas en el universo temprano”.
Los hallazgos indican que el universo primitivo era mucho más turbulento y productivo en la formación de agujeros negros supermasivos de lo que se suponía anteriormente.
“El universo primitivo era mucho más caótico y turbulento de lo que esperábamos, con una población de agujeros negros supermasivos mucho mayor de lo que esperábamos”, dijo el Dr. Regan.
Implicaciones para futuras misiones espaciales
Más allá de reconstruir la teoría de la formación de agujeros negros, la investigación también tiene implicaciones para los futuros observatorios espaciales. En particular, podría afectar lo que los científicos esperan ver de la misión conjunta de la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) de la Agencia Espacial Europea y la NASA, cuyo lanzamiento está previsto para 2035.
“Las futuras observaciones de ondas gravitacionales de esta misión podrán detectar fusiones de estos pequeños agujeros negros primordiales que se acumulan rápidamente”, dijo el Dr. Regan.
Tales detecciones proporcionarían una nueva y poderosa forma de estudiar los agujeros negros del universo primitivo y confirmar si estos escenarios de rápido crecimiento se desarrollaron como sugerían las simulaciones.
