Agujeros negros en el universo temprano: Nuevas pruebas de su existencia

Con la imagen más profunda de rayos X  jamás tomada, un astrónomo de la Universidad de Michigan y sus colegas han encontrado la primera evidencia directa de que los agujeros negros eran comunes en el universo temprano. Este descubrimiento del Observatorio Chandra de la NASA  de rayos X demuestra que estos jóvenes agujeros negros se hicieron más voraces de lo que se pensaba, a la vez que aumentaba el crecimiento de sus galaxias anfitrionas.

Apuntando al Chandra a una zona del cielo concreta durante más de seis semanas, los astrónomos obtuvieron lo que se conoce como el Chandra Deep Field South (CDFS). Cuando se combina con imágenes ópticas e infrarrojas muy profunda del Telescopio Espacial Hubble, los nuevos datos del Chandra permitieron a los astrónomos buscar agujeros negros en 200 galaxias distantes, a partir de cuando el Universo tenía entre 800 millones y 950 millones de años.

“Teníamos razones para esperar que los agujeros negros existiearn en muchas de las primeras galaxias, pero no habíamos podido demostrarlo hasta ahora. Cuando comparamos los datos del Chandra con mis propios modelos teóricos, me sorprendió por su concordancia. Es el sueño de cualquier teórico, “, dijo Marta Volonteri, profesora asociada de astronomía de la UM y coautora del estudio que aparece en la revista Nature de esta semana.

El crecimiento significa que el agujero negro hallado en el CDFS está relacionado con cuásares muy luminosos, objetos raros alimentados por material que cae en un agujero negro supermasivo. Sin embargo, las fuentes del CDFS son alrededor de un centenar de veces más débiles, y los agujeros negros son alrededor de mil veces menos masiva que los quásares.

Se encontró que entre el 30 y el 100 por cien de las galaxias distantes contienen un agujero negro supermasivo. Extrapolando estos resultados en el campo observado, hubo por lo menos 30 millones de agujeros negros supermasivos en el Universo temprano. Este es un factor 10.000 mayor que el número estimado de  quásares en mismo periodo.

“Parece que hemos encontrado toda una población nueva de  agujeros negros bebé”, dijo el coautor del estudio, Kevin Schawinski de la Universidad de Yale. “Creemos que estos agujeros crecieron en un factor de alrededor de cien a mil, llegando a ser como los agujeros negros gigantes que vemos hoy, casi 13.000 millones de años después.”

Una población de agujeros negros bebé en el universo temprano ya se había previsto, pero no se había observa todavía. Los cálculos detallados muestran que la cantidad total de crecimiento del agujero negro observado por este equipo es unas cien veces mayor que las estimaciones recientes.

“Hasta ahora, no teníamos idea de lo que estaban haciendo los agujeros negros en estas primeras galaxias, o si existían”, dijo Ezequiel Treister de la Universidad de Hawai, autor principal del estudio. “Ahora sabemos que estaban ahí y que estaban creciendo de modo frenético”.

Debido a que estos agujeros bebé negros están envueltos en densas nubes de gas y polvo, los telescopios ópticos no puede detectarlos. Sin embargo, las altas energías de luz de rayos X pueden penetrar estos velos, permitiendo el estudio del agujero negro de su interior.

Ahora conocemos dos cuestiones fundamentales en la física de un agujero negro; cómo se formó el primer agujero negro supermasivo y cómo creció. Aunque la evidencia de un crecimiento paralelo entre agujeros negros y galaxias se ha establecido en distancias más cortas, los nuevos resultados del Chandra muestran que esta conexión se inició antes de lo previsto, tal vez desde el origen de ambos.

“La mayoría de los astrónomos creen que los agujeros negros y las galaxias son de alguna manera simbióticos en su forma de crecer”, dijo Priya Natarajan, co-autor de la Universidad de Yale. “Hemos demostrado que esta relación de codependencia ha existido desde tiempos muy antiguos.”

Se ha sugerido que los primeros agujeros negros podría desempeñar un papel importante a la hora de limpiar la llamada “niebla” neutra (sin carga) de hidrógeno que llenaba el universo temprano, cuando la temperatura se enfrió tras del Big Bang. Sin embargo, el estudio del Chandra demuestra que este polvo y gas detiene la radiación ultravioleta generada por el agujero negro tras viajar al exterior para realizar esta “re-ionización”. Por lo tanto, las estrellas y no el creciendo de los agujeros negros fue probablemente lo que hizo desaparecer la niebla del amanecer cósmico.

El Observatorio Chandra es capaz de detectar objetos extremadamente débiles a grandes distancias, pero estos agujeros negros están tan oscurecidos que los pocos fotones  pueden escapar y por lo tanto ser detectados individualmente. En cambio, el equipo utilizó una técnica que se basaba en la capacidad del Chandra para determinar con mucha precisión la dirección de la que provienen los rayos-X y sumar para calcular las posiciones de galaxias distantes y encontrar una señal estadísticamente significativa.

El título del artículo de Nature que describe estos resultados es “Black hole growth in the early Universe is self-regulated and largely hidden from view.” El otro co-autor del mismo es Eric Gawiser la Universidad de Rutgers en Nueva Jersey.

Autor: Ann Harbor

Enlace original: X-ray telescope finds new voracius black holes in early universe