Imagen basada en la simulación computacional del ambiente cosmológico en el que gas primordial sufre colapso directo y forma un agujero negro.
Crédito: Aaron Smith/TACC/UT-Austin.
Se han encontrado agujeros negros súper masivos muy antiguos que, se estima, se formaron cuando el universo era aún muy joven. Esto ha sido desconcertante para los investigadores.
Los astrónomos han encontrado un nuevo conjunto de condiciones únicas que sólo existieron 50 millones de años después del Big Bang y que se cree que permitieron la formación de estos agujeros negros monstruosos. Una inusual fuente de radiación intensa creó los que se han denominado “agujeros negros de colapso directo”.
“Es un milagro cósmico”, dijo Volker Bromm de la Universidad de Texas en Austin, quien trabajó con varios astrónomos en este descubrimiento. “Es el único momento en la historia del universo en el que las condiciones fueron las correctas para que éstos se formaran”.
La forma convencional en la que se forman los agujeros negros se denomina teoría de la acreción, en ésta, una estrella extremadamente masiva colapsa y las semillas del agujero negro se van formando mediante dos métodos: la primera es la tracción del gas de los alrededores y la segunda es la unión de agujeros negros más pequeños. Sin embargo, este proceso toma un tiempo mucho mayor que el tiempo requerido para formar aquellos agujeros negros que se forman por colapso directo. Además, el universo en sus etapas tempranas no tenía las cantidades de gas y polvo necesarias para hacer crecer estos agujeros negros de tamaño gigantesco.
El nuevo hallazgo sugiere que algunos de los primeros agujeros negros se formaron directamente tras el colapso de una nube de gas, sin pasar por otras fases intermedias como la formación y subsecuente destrucción de una estrella masiva.
Desde luego, como cualquier agujero negro, estos agujeros negros formados por “colapso directo” no pueden ser observados. Sin embargo, hay pruebas sólidas para demostrar su existencia, como que éstos son necesarios para alimentar los cuásares altamente luminosos detectados en el universo joven. El gran brillo de los cuásares proviene de la materia que cae en espiral hacia un agujero negro supermasivo, y que a su vez se calienta a millones de grados celcius, creando jets que brillan como faros a través del universo.
Sin embargo, como la teoría de acreción no puede explicar los agujeros negros supermasivos en lugares tan alejados -y por tanto tan jóvenes- del universo, los astrónomos tampoco pueden explicar estos cuásares. Esto se ha denominado “el problema de las semillas de cuásar”.
“Los cuásares observados en las etapas tempranas del universo parecen bebés gigantes en un cuarto de recién nacidos normales”, dice Avi Loeb del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, quien trabajó con Bromm. “Uno se pregunta: ¿Qué hay de especial en el ambiente que hizo que estos bebés gigantes nacieran? Normalmente los depósitos de gas frío en galaxias cercanas como la Vía Láctea se consumen en la formación de estrellas”.
Esta ilustración artística representa la semilla de formación de un agujero negro súper masivo, este es un objeto que contiene millones o incluso miles de millones de veces la masa del sol. En esta ilustración, la nube de gas se muestra como humo azul, mientras que el disco color anaranjado y rojo es material que está siendo canalizado hacia el creciente agujero negro, por el jalón gravitacional del mismo.
Créditos: Rayos-X: NASA/CXC/Scuola Normale Superiore/Pacucci, F. et al.
Ilustración: NASA/CXC/M.Weiss.
Pero en el 2003, a Bromm y Loeb se les ocurrió la idea teórica de que una galaxia temprana podría haber formado la semilla de un agujero negro reprimiendo, la que sería de otra manera, la energía para la formación de estrellas. Ellos llamaron a este proceso “colapso directo”.
“Comienza con una nube primordial de hidrógeno y helio cubierta por un océano de radiación ultravioleta”, dice Bromm. “Se estaría ‘mascando’ esta nube en el campo gravitacional de un halo de materia oscura. Normalmente, la nube sería capaz de enfriarse y de fragmentarse para formar estrellas. Sin embargo, los fotones en estado ultravioleta mantienen el gas caliente, suprimiendo la formación de estrellas. Éstas son las condiciones que denominamos ‘milagrosas’: ¡Colapso sin fragmentación! A medida que el gas se compacta más y más, eventualmente se tendrá las condiciones para formar un agujero negro masivo”.
Este conjunto de condiciones cósmicas parece que sólo existieron en una etapa muy temprana del universo, y actualmente este proceso no podría ocurrir en una galaxia.
Para probar su teoría, Bromm, Loeb y su colega Aaron Smith empezaron estudiando una galaxia llamada CR7, que fue identificada por el reconocimiento COSMOS del telescopio espacial Hubble y que se encuentra a menos de 1000 millones de años después del Big Bang.
David Sobral de la Universidad de Lisboa ha hecho observaciones de seguimiento de CR7 con algunos de los telescopios en tierra más grandes del mundo, incluyendo el Keck y el VLT. En este seguimiento se encontraron algunas características inusuales en la huella de luz proveniente de CR7. Específicamente se encontró que la línea del hidrógeno Lyman-Alpha era mucho más brillante que lo esperado. Notablemente, el espectro también mostró una línea de helio inusualmente brillante.
“La fuente de este fenómeno es muy caliente; lo suficiente como para ionizar helio”, dice Smith, asegurando que la temperatura debe ser cercana a 100.000 Celcius.
Éstas y otras características inusuales en el espectro significan que podría ser un clúster de estrellas primordiales o un agujero negro súper masivo formado por colapso directo. Smith corrió simulaciones para ambos escenarios, y mientras el escenario de las estrellas primordiales “falló espectacularmente” según el investigador, el modelo de colapso directo se desempeñó bastante bien.
Además, en los meses iniciales de este año, los investigadores usaron datos combinados del Observatorio de rayos X Chandra, el telescopio espacial Hubble y el telescopio espacial Spitzer para identificar semillas de agujeros negros, en su búsqueda pudieron identificar dos objetos que encajan con el perfil infrarrojo teórico.
Parece que los astrónomos están “convergiendo en este modelo”, dijo Smith, para resolver el problema de la semilla de cuásar y el acertijo de los agujeros negros tempranos.
El trabajo de Bromm, Loeb y Smith fue publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Fuente: Universe Today