Cómo crear un agujero negro de la nada

¿Cuántas maneras hay de salir de este universo?

Quizás la salida más conocida implique la muerte de una estrella. En 1939, el físico J. Robert Oppenheimer y su alumno Hartland Snyder, de la Universidad de California, Berkeley, predijeron que cuando una estrella suficientemente masiva se queda sin combustible termonuclear, colapsa hacia adentro y continúa colapsando para siempre, reduciendo el espacio, el tiempo y la superficie. Tierra. luz a su alrededor en lo que ahora llamamos un agujero negro.

Pero resulta que puede que no sea necesaria una estrella muerta para crear un agujero negro. En cambio, al menos en el universo primitivo, nubes gigantes de gas primordial podrían haber colapsado directamente en agujeros negros, evitando millones de años de estrellato.

Ésta es la conclusión provisional a la que llegó recientemente un grupo de astrónomos que estudian UHZ-1, un punto de luz que se remonta poco después del Big Bang. De hecho, UHZ-1 es (o era) un poderoso quásar que arrojó fuego y rayos X desde un monstruoso agujero negro hace 13.200 millones de años, cuando el universo aún no tenía 500 millones de años.

Esto es inusualmente temprano, desde una perspectiva cósmica, para que un agujero negro tan masivo haya llegado a existir a través de colapsos y fusiones estelares. Priyamvada Natarajan, astrónomo de Yale y autor principal de un artículo publicado en Astrophysical Journal Lettersy sus colegas afirman que en UHZ-1 han descubierto una nueva especie celeste, a la que llaman galaxia de agujero negro supramasivo u OBG. Básicamente, una OBG es una galaxia joven anclada por un agujero negro que ha crecido demasiado y demasiado rápido.

El descubrimiento de este cuásar temprano podría ayudar a los astrónomos a resolver un enigma relacionado que los ha atormentado durante décadas. Casi todas las galaxias visibles del universo moderno parecen albergar en su centro un agujero negro supermasivo millones o miles de millones de veces más masivo que el Sol. ¿De dónde vinieron esos monstruos? ¿Es posible que los agujeros negros ordinarios crecieran tanto y tan rápido?

La Dra. Natarajan y sus colegas proponen que UHZ-1, y quizás muchos agujeros negros supermasivos, se originaron como nubes primordiales. Es posible que estas nubes se hayan colapsado en núcleos tempranos lo suficientemente pesados ​​como para impulsar el crecimiento de galaxias con agujeros negros supramasivos. Son otro recordatorio de que el universo que vemos está gobernado por la geometría invisible de la oscuridad.

«Como primer candidato a OBG, UHZ-1 proporciona evidencia convincente de la formación de semillas iniciales pesadas por colapso directo en el universo temprano», escribieron la Dra. Natarajan y sus colegas. En un correo electrónico, añadió: «¡La naturaleza parece producir semillas de BH de muchas maneras más allá de la simple muerte estelar!»

Daniel Holz, teórico de la Universidad de Chicago que estudia los agujeros negros, dijo: «Priya ha encontrado un agujero negro extremadamente emocionante, si fuera real».

Y añadió: “Es demasiado grande y demasiado pronto. Es como mirar el salón de clases de un jardín de infantes y entre todos los niños de 5 años hay uno que pesa 150 libras y/o mide seis pies de altura.

Según la historia que cuentan los astrónomos sobre la evolución del universo, las primeras estrellas se condensaron a partir de las nubes de hidrógeno y helio que quedaron del Big Bang. Ardieron caliente y rápidamente, explotando y colapsando rápidamente en agujeros negros de 10 a 100 veces más masivos que el sol.

A lo largo de eones, se formaron sucesivas generaciones de estrellas a partir de las cenizas de estrellas anteriores, enriqueciendo la química del cosmos. Y los agujeros negros que quedaron de sus muertes continuaron fusionándose y creciendo de alguna manera, hasta convertirse en agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias.

El telescopio espacial James Webb, lanzado hace dos años esta Navidad, fue diseñado para probar esta idea. Tiene el espejo más grande del espacio, 21 pies de diámetro. Más importante aún, fue diseñado para registrar longitudes de onda infrarrojas provenientes de la luz de las estrellas más distantes y, por lo tanto, más antiguas del universo.

Pero cuando el nuevo telescopio apuntó hacia el cielo, detectó nuevas galaxias tan masivas y brillantes que desafiaron las expectativas de los cosmólogos. Durante los últimos dos años, ha habido un debate sobre si estas observaciones realmente amenazan un modelo del cosmos de larga data. El modelo describe el universo como compuesto por una pequeña cantidad de materia visible, cantidades sorprendentes de “materia oscura”, que proporciona la gravedad para mantener unidas a las galaxias, y “energía oscura”, que separa a estas galaxias.

El descubrimiento de UHZ-1 representa un punto de inflexión en estos debates. En preparación para una futura observación por parte del Telescopio Espacial James Webb de un enorme cúmulo de galaxias en la constelación del Escultor, el equipo del Dr. Natarajan pidió pasar tiempo en el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA. La masa del cúmulo actúa como una lente gravitacional, magnificando objetos muy lejanos en el espacio y el tiempo. Los investigadores esperaban vislumbrar en los rayos X todo lo que la lente podría mostrar.

Lo que encontraron fue un quásar impulsado por un agujero negro supermasivo aproximadamente 40 millones de veces más masivo que el Sol. Observaciones adicionales realizadas por el telescopio Webb confirmaron que estaba a 13.200 millones de años luz de distancia. (El cúmulo Sculptor está a unos 3.500 millones de años luz de distancia). Fue el primer quásar más distante jamás encontrado en el universo.

«Necesitábamos a Webb para encontrar esta galaxia extraordinariamente distante y a Chandra para encontrar su agujero negro supermasivo», dijo en un comunicado de prensa Akos Bogdan, del Centro de Astrofísica de Harvard y Smithsonian. «También aprovechamos una lupa cósmica que aumentó la cantidad de luz detectada».

Los resultados indican que los agujeros negros supermasivos ya existían 470 millones de años después del Big Bang. Ese tiempo no es suficiente para permitir que los agujeros negros creados por la primera generación de estrellas, que inicialmente tenían entre 10 y 100 masas solares, se vuelvan tan grandes.

¿Había otra manera de crear agujeros negros aún más grandes? En 2017, el Dr. Natarajan sugirió que el colapso de las nubes de gas primordiales podría haber dado lugar a agujeros negros más de 10.000 veces más masivos que el Sol.

«Entonces podemos imaginar que uno de estos se convierta más tarde en este agujero negro joven y precozmente grande», dijo el Dr. Holz. Como resultado, señaló, “en cada momento posterior de la historia del universo siempre habrá agujeros negros sorprendentemente grandes”.

El Dr. Natarajan dijo: «El hecho de que estos comiencen su vida de manera supermasiva implica que probablemente eventualmente evolucionarán hasta convertirse en agujeros negros supermasivos». Pero nadie sabe cómo funciona. Los agujeros negros representan el 10% de la masa del primer cuásar UHZ-1, mientras que representan menos de una milésima parte de la masa de las galaxias modernas como la gigante Messier 87, cuyo agujero negro pesaba 6.500 millones de masas solares cuando su foto fue tomada por el Event Horizon Telescope en 2019.

Esto sugiere que complicados efectos de retroalimentación ambiental dominan el crecimiento y la evolución de estas galaxias y sus agujeros negros, lo que hace que sus estrellas y su gas aumenten su masa.

«Entonces, de hecho, estos OBG extremadamente tempranos realmente están telegrafiando mucha más información e iluminando la física de las semillas en lugar del crecimiento y la evolución posteriores», dijo el Dr. Natarajan. Y añadió: “Aunque tienen implicaciones importantes”.

El Dr. Holz dijo: «Sin duda sería bueno si esto fuera lo que está pasando, pero soy sinceramente agnóstico». Y añadió: «Será una historia fascinante sin importar cómo resolvamos el misterio de los primeros grandes agujeros negros».