Es posible que los científicos hayan resuelto un misterio cósmico que los ha estado preocupando desde que el Telescopio Espacial James Webb (JWST) comenzó sus observaciones en 2022.
Cuando los astrónomos empezaron a mirar hacia atrás en los primeros días del universo con el observatorio de última generación, descubrieron agujeros negros supermasivos que parecen haberse formado antes de que el universo tuviera mil millones de años, algo que nuestros modelos actuales del cosmos no pueden explicar. Pero un nuevo estudio ha descubierto que un «frenesí de alimentación» de un agujero negro puede explicar cómo estos monstruos cósmicos nacieron tan temprano en la historia del universo.
«Descubrimos que las condiciones caóticas que existían en el universo primitivo provocaron que los primeros agujeros negros más pequeños crecieran hasta convertirse en los agujeros negros supermasivos que veremos más tarde, tras un frenesí de alimentación que devoró el material a su alrededor», dijo en un comunicado el líder de la investigación Daxal Mehta de la Universidad de Maynooth. «Utilizando simulaciones por computadora de última generación, revelamos que la primera generación de agujeros negros, aquellos que nacieron apenas unos cientos de millones de años después de la gran explosión creció increíblemente rápido, hasta alcanzar decenas de miles de veces el tamaño de nuestro sol».
Al realizar complejas simulaciones por computadora, este equipo de investigadores descubrió que las condiciones turbulentas y ricas en gas denso en las primeras galaxias pueden haber permitido que los agujeros negros entraran en breves fases de megaglotonería, superando una barrera conocida como el «límite de Eddington». Este límite determina cuánto material puede caer en un cuerpo como una estrella o un agujero negro antes de que la radiación generada por esa acumulación empuje más materia, vaciando la despensa central de gas y polvo del objeto central, cortando así su suministro de alimentos.
Los períodos de superconsumo que desafían este límite se conocen como «acreción de superEddington» y sirven como eslabón perdido entre los agujeros negros que se forman cuando las estrellas masivas mueren en explosiones de supernovas y monstruosos agujeros negros supermasivos.
Los agujeros negros supermasivos con masas millones o incluso miles de millones de veces la del Sol se encuentran en el corazón de todas las grandes galaxias del universo moderno de 13.800 millones de años, lo cual no es difícil de explicar, ya que han tenido mucho tiempo para crecer.
La cuestión es el descubrimiento de agujeros negros supermasivos ya 500 millones de años después del Big Bang, una población que el JWST ha estado descubriendo de forma rutinaria durante los últimos tres años y medio. Esto se debe a que se cree que los procesos de fusión y alimentación que se cree que permiten a los agujeros negros alcanzar el estado supermasivo tardan al menos mil millones de años.
«Es como ver a una familia caminando por la calle, y tienen dos adolescentes de seis pies, pero también tienen con ellos un niño pequeño de seis pies de altura», dijo anteriormente a Space.com John Regan, miembro del equipo de investigación y científico de la Universidad de Maynooth. «Eso es un pequeño problema. ¿Cómo llegó el niño a ser tan alto? Y lo mismo ocurre con los agujeros negros supermasivos en el universo. ¿Cómo se volvieron tan masivos tan rápidamente?»
Las simulaciones del equipo sugieren que un frenesí de alimentación de Super-Eddington podría haber permitido que la primera generación de agujeros negros se atiborrara del gas denso del cosmos primitivo hasta alcanzar masas de decenas de miles de veces la del sol. Si bien eso no nos lleva a los agujeros negros supermasivos, proporciona una ventaja significativa en el proceso de fusión que vería agujeros negros de tamaño cada vez mayor colisionar y fusionarse para dar origen a un agujero negro aún más masivo.
«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 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».
La investigación del equipo podría ayudar a los científicos a determinar si los primeros agujeros negros supermasivos comenzaron como «semillas ligeras», con entre diez y unos cientos de veces la masa de nuestro sol, o como «semillas pesadas», con hasta 100.000 veces la masa del sol. Anteriormente se había teorizado que sólo las semillas pesadas serían lo suficientemente masivas como para facilitar el rápido crecimiento de agujeros negros supermasivos.
«Ahora no estamos tan seguros», dijo Regan. «Las semillas pesadas son algo más exóticas y pueden necesitar condiciones raras para formarse. Nuestras simulaciones muestran que los agujeros negros de masa estelar de su ‘variedad de jardín’ pueden crecer a tasas extremas en el universo temprano».
La investigación del equipo no sólo sugiere una nueva vía para el crecimiento de agujeros negros supermasivos, sino que también muestra cuán importantes son las simulaciones de alta resolución en nuestra investigación del cosmos temprano.
«El universo temprano es mucho más caótico y turbulento de lo que esperábamos, con una población de agujeros negros masivos mucho mayor de lo que también esperábamos», dijo Regan.
En cuanto a recopilar evidencia de esta teoría, ese puede ser un trabajo no para el JWST o cualquier otro dispositivo astronómico tradicional, sino para instrumentos diseñados para detectar las pequeñas ondas en el espacio conocidas como ondas gravitacionales que se fusionan como esta irradia. De particular importancia podría ser el primer detector de ondas gravitacionales basado en el espacio, la antena espacial con interferómetro láser (LISSA), una articulación Agencia Espacial Europea/ La misión de la NASA se lanzará en 2035.
«Las futuras observaciones de ondas gravitacionales de esa misión podrían detectar las fusiones de estos pequeños agujeros negros tempranos y de rápido crecimiento», concluyó Regan.
La investigación del equipo fue publicada el miércoles (21 de enero) en la revista. Astronomía de la naturaleza.
