La paradoja de los jóvenes cuásares

Cuando miras al cielo por la noche, ves estrellas, galaxias… No siempre ha sido así. Estos objetos tardaron cientos de millones de años en formarse después del Big Bang. El Universo se llenó inicialmente con una mezcla de partículas caliente y densa, que se enfrió gradualmente debido a su expansión. Aproximadamente 380,000 años después del Big Bang, los núcleos atómicos y los electrones han coincidido para formar átomos neutros, llenando todo el espacio con gas hidrógeno (y helio). Unos cientos de millones de años después, el gas colapsó sobre sí mismo, que formó las primeras estrellas. Estos se han reunido en galaxias, cuyas huellas más antiguas datan de 400 millones de años después del nacimiento del Universo. Pero los astrofísicos también se sorprendieron al ver que otra clase de objetos apareció en esta época: los cuásares.

Los cuásares son galaxias donde grandes cantidades de gas caen en el agujero negro supermasivo ubicado en su centro. Debido a la fricción interna, el gas se calienta y emite luz. Los cuásares se encuentran entre los objetos más brillantes del Universo y son visibles desde las regiones más remotas del cosmos. A partir de 2001, gracias al Sloan Digital Sky Survey (SDSS), los astrónomos comenzaron a ver cuásares en el universo muy joven. El cuásar más antiguo conocido, detectado en diciembre de 2017, estuvo presente solo 690 millones de años después del Big Bang.

La formación de estos cuásares más antiguos es un enigma para los investigadores. Para ser visibles mientras están extremadamente distantes, los cuásares deben albergar agujeros negros particularmente masivos, aproximadamente mil millones de veces la masa del Sol. Las teorías clásicas sobre la formación y el crecimiento de agujeros negros no pueden explicar cómo se habrían formado agujeros negros tan grandes en menos de mil millones de años.

Muchos astrónomos creen que los primeros agujeros negros, los agujeros negros de «semilla», son los restos de la explosión de supernova de las primeras generaciones de estrellas. Pero tales agujeros negros no deberían tener una masa de más de unos pocos cientos de masas solares. Entonces es difícil imaginar un escenario en el que los agujeros negros supermasivos de los cuásares crecieran a partir de precursores tan pequeños.

Para resolver este rompecabezas, con colegas, propuse una pista donde los agujeros negros ganan lo suficiente en masa para explicar los primeros cuásares sin invocar el nacimiento y la muerte de las estrellas. En cambio, estos agujeros negros se habrían formado directamente a partir de gas hidrógeno. Los llamamos agujeros negros con colapso directo. En un entorno favorable, estos agujeros negros con colapso directo habrían nacido con una masa entre 10,000 y 100,000 masas solares unos cientos de millones de años después del Big Bang. Mucho más masivo que los del escenario clásico, estos agujeros negros podrían haber crecido hasta alcanzar mil millones o incluso 10 mil millones de veces la masa del Sol, como en los cuásares que han intrigado a los astrónomos durante casi veinte años. El desafío es demostrar que este escenario tuvo lugar. El telescopio espacial James-Webb, que se lanzará en 2020, debería permitirnos saberlo.

Las primeras semillas

Los agujeros negros son objetos astrofísicos enigmáticos, regiones donde la concentración de materia es tan grande que distorsiona el espacio-tiempo de tal manera que incluso la luz no puede escapar. Los investigadores se han preguntado durante mucho tiempo si los agujeros negros son una simple curiosidad matemática de las ecuaciones generales de relatividad de Einstein. Con los cuásares, los astrónomos observan la luz emitida por la materia que cae en los agujeros negros, confirmando la realidad de este último.

La mayoría de los agujeros negros surgen de la muerte de estrellas muy masivas (más de 10 masas solares). En el corazón de una estrella, los átomos de luz se fusionan y producen suficiente energía para contrarrestar la gravedad de la estrella que tiende a contraer la estrella. Cuando se agota este combustible nuclear, la estrella se derrumba sobre sí misma y desencadena una explosión cataclísmica, una supernova. La estrella luego deja un corazón extremadamente compacto, un agujero negro.

Los astrónomos asumieron por primera vez que los agujeros negros detrás de los primeros cuásares también se formaron de esta manera. Serían los herederos de la primera generación de estrellas en el Universo (las llamadas estrellas de población III). Estas estrellas se formaron cuando el gas hidrógeno se enfrió y comenzó a formar áreas de sobredensidad, 200 millones de años después del Big Bang. Las estrellas de población III probablemente fueron mucho más masivas que las estrellas de las generaciones posteriores. Entonces habrían dejado agujeros negros de varios cientos de masas solares. Y como estas estrellas se habrían formado en grupos densos, es posible que los agujeros negros producidos durante su muerte se fusionen entre sí para dar a luz agujeros negros de varios miles de masas solares. Pero incluso tales agujeros negros siguen siendo muy insuficientes para alimentar el corazón de los cuásares.

Otros teóricos sugieren que los agujeros negros primordiales habrían surgido incluso antes en la historia del Universo, cuando el espacio experimentó una expansión exponencial durante una breve fase cósmica llamada inflación. Las pequeñas fluctuaciones de densidad en el Universo se habrían amplificado durante la inflación para producir estos agujeros negros primordiales. Sin embargo, estos agujeros negros deben tener una masa entre 10 y 100 masas solares, de ahí el mismo problema que el caso de las estrellas de población III.

Las explicaciones propuestas en estos dos escenarios se enfrentan al mismo obstáculo: los agujeros de semillas negras pueden crecer al absorber material, pero deberían hacerlo a un ritmo extraordinario para alcanzar la masa de agujeros negros centrales en los cuásares durante los primeros mil millones de años de historia cósmica y así crear los primeros cuásares. Y lo que sabemos sobre el crecimiento de los agujeros negros nos hace pensar que este escenario es poco probable.

Nuestra comprensión actual de la física sugiere que la grandeza, el límite de Eddington, es la velocidad máxima a la que un agujero negro gana masa de manera efectiva. Una alimentación de agujero negro a la velocidad indicada por el límite de Eddington tendría un crecimiento exponencial: su masa se duplicaría cada 10 millones de años más o menos. Por lo tanto, para alcanzar mil millones de masas solares, un agujero negro de semillas de 10 masas solares debe tragar gas y estrellas en el borde de Eddington durante mil millones de años. Sin embargo, es difícil explicar cómo una población entera de agujeros negros habría sido alimentada continuamente de manera tan eficiente.

Una posible solución sería imaginar que un agujero negro nacido de una estrella de la población III se alimentara a una velocidad superior al límite de Eddington. En teoría, es posible superar este límite en condiciones particulares, por ejemplo, en un entorno muy denso y rico en gas. Tales condiciones pueden haber existido en el Universo primordial, pero no habrían sido frecuentes, y habrían durado solo muy brevemente.

Además, un crecimiento excepcionalmente rápido puede causar algún tipo de estrangulamiento. Durante estas fases extremas de alimentación, llamadas super-Eddington, la radiación emitida por el material que cae en el agujero negro crea una presión de radiación que perturba, incluso bloquea, el flujo de materia. El agujero negro se ve privado de alimentos y deja de crecer. Con tales restricciones, es posible que estas comidas glotonas expliquen algunos cuásares, pero no pueden ser la regla y la cuenta de todos los cuásares que observamos.

¿Se habrían formado los primeros agujeros negros supermasivos de otra manera? ? Inspirado en el trabajo pionero de varios equipos, mi colega Giuseppe Lodato, de la Universidad de Milán, y yo publicamos varios artículos entre 2006 y 2007, en los que propusimos un nuevo mecanismo capaz de producir, desde el principio, agujeros negros con más semillas masivas. . El punto de partida de nuestro escenario consiste en grandes discos de gas esenciales. En general, estos discos se enfriaron, luego se fragmentaron y dieron a luz a estrellas y galaxias. Hemos demostrado que este no siempre ha sido su destino. Si algo interrumpe el proceso normal de enfriamiento del disco y evita la formación de estrellas, el disco se vuelve gravitacionalmente inestable. El material luego migra en grandes cantidades al centro, de manera bastante similar al agua del baño que fluye hacia el tapón. Este colapso de gas da lugar a agujeros negros de semillas de 10,000 a 1 millón de masas solares.

El telescopio espacial James-Webb

En general, los discos se enfrían de manera más eficiente si su gas consiste en hidrógeno molecular (H2, dos átomos de hidrógeno unidos) y no hidrógeno atómico (H, que consiste en átomos aislados) . Si la radiación emitida por las estrellas en una galaxia cercana llega al disco, puede romper los enlaces del hidrógeno molecular y reducirlo a hidrógeno atómico. El proceso de enfriamiento se ralentiza y el disco permanece demasiado caliente para formar estrellas. Desnudo de estrellas y temperatura más alta, el disco se vuelve inestable y el material migra a su centro, lo que lleva rápidamente a la formación de un agujero negro con colapso directo.

Como este escenario requiere la presencia de estrellas en las proximidades del disco, esperamos que los agujeros negros con colapso directo generalmente se formen en galaxias satélite que evolucionan alrededor de galaxias parentales más grandes donde las estrellas de la población III ya se habrían formado.

Las simulaciones que describen la formación de grandes estructuras y la dinámica del gas en las escalas cósmicas más grandes respaldan las hipótesis del modelo de agujeros negros con colapso directo. Por lo tanto, la idea de que se hayan formado agujeros negros de semillas muy masivos en el Universo joven parece plausible. A partir de tales semillas, ya no hay ningún problema en producir agujeros negros supermasivos en el corazón de los cuásares en un tiempo razonable.

En busca de evidencia

El hecho de que los agujeros negros con colapso directo sean teóricamente posibles no es suficiente para afirmar que el modelo es correcto. Para averiguarlo, necesitamos encontrar evidencia observacional.

Al absorber material, estos agujeros negros se verían como pequeños cuásares en el Universo joven. En particular, se espera que esta semilla se fusione con la galaxia madre, y luego brillaría intensamente. Este evento sería bastante frecuente porque, en nuestro modelo, se formaron agujeros negros con colapso directo en galaxias satélite de galaxias más grandes. Una fusión galáctica proporcionaría a la semilla del agujero negro una nueva fuente de gas para ser tragada, manteniendo su crecimiento. Luego debería convertirse rápidamente en un cuásar que brille más que todas las estrellas en su galaxia.

Estos agujeros negros no solo serían más brillantes que todas las estrellas circundantes, sino que también serían más pesados, lo que generalmente no es el caso. Muy a menudo, las estrellas de una galaxia pesan más que el agujero negro central, en un factor de aproximadamente 1,000. Pero cuando se fusiona con la galaxia madre, la masa del creciente agujero negro excede rápidamente la de las estrellas. La galaxia se llama entonces una galaxia obesa de agujero negro. Y dicha estructura debe tener un espectro electromagnético particular, especialmente en el infrarrojo, entre 1 y 30 micrómetros de longitud de onda. Sin embargo, los instrumentos MIRI (instrumento de infrarrojo medio) y NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) del telescopio espacial James-Webb son muy sensibles a estas longitudes de onda.

Este telescopio será el instrumento más poderoso que los astrónomos hayan tenido que mirar a la juventud del Universo. Si el telescopio detecta galaxias obesas de agujero negro, sería una pista fuerte de la teoría de los agujeros negros de colapso directo. Por el contrario, los agujeros negros de semillas, nacidos de la muerte de las estrellas, estarán demasiado pálidos para ser visibles a través del telescopio James-Webb, o cualquier otro.

Otros tipos de observaciones también podrían proporcionar pistas a nuestra teoría. En los raros casos en que la galaxia madre albergaría un agujero negro central, los dos agujeros negros colisionarían, liberando grandes ondas gravitacionales. El futuro interferómetro espacial Lisa, las agencias espaciales europeas (ESA) y estadounidenses (Nasa), programadas para la década de 2030, deberían poder detectar tal evento.

Un retrato más preciso

Es muy posible que los escenarios de los agujeros negros con colapso directo y las semillas alimentadas a una velocidad súper Eddington hayan coexistido en el Universo primordial. La pregunta sería: cuál de los dos produjo la mayoría de los cuásares más antiguos observados por los astrónomos ? Resolver este rompecabezas hará más que aclarar la cronología del Universo joven. Los astrónomos también tendrán una mejor comprensión de la evolución de las galaxias, porque los agujeros negros supermasivos juegan un papel importante.

Los datos sugieren, por ejemplo, que el agujero negro central afectaría la producción de estrellas en la galaxia donde se encuentra. Por un lado, el material que cae en el agujero negro libera energía que calienta el gas cerca del centro galáctico. Por lo tanto, evita que se enfríe y forme estrellas. Esta influencia también sería sensible en gran rango, mucho más allá del centro de la galaxia, en forma de chorros de radiación de alta energía. Estos chorros, que los astrónomos observan en el campo de la radio, calentarían el gas de las regiones externas de la galaxia y bloquearían la formación estelar allí. Estos efectos son complejos de modelar, pero los astrónomos esperan comprenderlos mejor: encontrar las primeras semillas especificaría cómo las relaciones entre estos agujeros negros y sus galaxias anfitrionas han evolucionado con el tiempo.

Las perspectivas de investigación presentadas aquí son parte de una evolución importante en nuestra capacidad para estudiar y comprender agujeros negros de todos los tamaños. Cuando, por ejemplo, el interferómetro Ligo realizó la primera detección de ondas gravitacionales en 2015, los científicos pudieron determinar que los dos agujeros negros que se habían fusionado pesaban 36 y 29 masas solares respectivamente, primos de peso pluma de agujeros negros supermasivos en el corazón de cuásares. Los proyectos continuos para detectar otras ondas gravitacionales proporcionarán detalles nuevos y fascinantes sobre lo que sucede cuando los agujeros negros se fusionan y vibran el espacio-tiempo a su alrededor.

Además, el telescopio Event Horizon tiene la intención de utilizar observatorios de radio dispersos por toda la superficie de la Tierra para adquirir una imagen del agujero negro en el centro de la Vía Láctea. Los investigadores esperan observar una «sombra» en forma de anillo alrededor de los bordes del agujero negro, un fenómeno predicho por la relatividad general. Cualquier discrepancia entre las mediciones del telescopio Event Horizon y los pronósticos de relatividad general sería un desafío para nuestra comprensión de los agujeros negros. Finalmente, los astrofísicos quieren usar una red de púlsares, estrellas que emiten radiación regularmente, para detectar el ruido de fondo cósmico de las ondas gravitacionales debido a la acumulación de señales emitidas por la coalescencia de los agujeros negros en el Universo. Pero a corto plazo, el telescopio James-Webb abrirá una nueva ventana para encontrar agujeros negros en el Universo joven.

Se esperan muchos descubrimientos en el futuro cercano. Y nuestra comprensión de los agujeros negros podría transformarse.

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