Cómo crear un agujero negro de la nada

¿Cuántas maneras hay de salir de este universo?

Quizás el director más famoso suponga la muerte de una estrella. En 1939, el físico J. Robert Oppenheimer y su alumno Hartland Snyder, de la Universidad de California, Berkeley, descubrieron 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 el espacio. La luz se convierte en lo que hoy se llama un agujero negro.

Pero resulta que tal vez no se necesite una estrella muerta para formar un agujero negro. En cambio, al menos en el universo primitivo, es posible que nubes gigantes de gas primordial hayan colapsado directamente en agujeros negros, evitando sus millones de años de estrellato.

Ésa es la conclusión provisional a la que llegó recientemente un grupo de astrónomos que estudian UHZ-1, una mota de luz que data poco después del Big Bang. De hecho, UHZ-1 es (o era) un poderoso quásar que disparó fuego y rayos X desde un agujero negro supermasivo hace 13.200 millones de años, cuando el universo no tenía ni 500 millones de años.

En términos cosmológicos, esto es inusualmente cercano, ya que un agujero negro supermasivo podría surgir a través del colapso y la fusión de estrellas. Priyamvada Natarajan, astrónomo de la Universidad de Yale y autor principal de Artículo publicado en la revista Astrophysical LettersElla y sus colegas confirman que han descubierto en UHZ-1 un nuevo tipo celeste, al que llaman galaxia de agujero negro supermasivo u OBG. En esencia, OBG es una galaxia joven anclada por un agujero negro que se ha vuelto muy grande, muy rápidamente. .

El descubrimiento de este cuásar temprano podría ayudar a los astrónomos a resolver un misterio relacionado que los ha desconcertado durante décadas. Casi todas las galaxias visibles del universo moderno parecen contener en su centro un agujero negro supermasivo de millones o miles de millones de veces la masa del Sol. ¿De dónde vinieron esos monstruos? ¿Es posible que los agujeros negros ordinarios crezcan tan rápidamente?

La Dra. Natarajan y sus colegas sugieren que UHZ-1, y quizás muchos agujeros negros supermasivos, comenzaron como nubes primordiales. Es posible que estas nubes se hayan colapsado en granos que eran prematuramente pesados, lo suficiente como para iniciar el crecimiento de galaxias con agujeros negros masivos. Es otro recordatorio de que el universo que vemos está gobernado por una geometría invisible de oscuridad.

«Como primer candidato a OBG, UHZ-1 proporciona pruebas convincentes de la formación de protosemillas pesadas a partir del colapso directo en el Universo temprano», escribieron la Dra. Natarajan y sus colegas. «Parece que la naturaleza crea semillas BH de muchas maneras», añadió en un correo electrónico, «¡más allá de la simple muerte de las estrellas!»

«Bria ha encontrado un agujero negro muy interesante, si es cierto», dijo Daniel Holz, teórico de la Universidad de Chicago que estudia los agujeros negros.

Y añadió: “Es simplemente 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.

Según la historia que los astrónomos se cuentan constantemente 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 para formar agujeros negros de 10 a 100 veces la masa del Sol.

A lo largo de eones, se han formado sucesivas generaciones de estrellas a partir de las cenizas de estrellas anteriores, enriqueciendo la química del universo. Los agujeros negros que quedaron de sus muertes continuaron fusionándose y creciendo de alguna manera, formando 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, mide 21 pies de diámetro. Lo más importante es que fue diseñado para registrar las longitudes de onda infrarrojas emitidas por la luz de las estrellas más distantes y, por lo tanto, más antiguas del universo.

Pero una vez que el nuevo telescopio apuntó al cielo, pudo ver nuevas galaxias tan masivas y brillantes que desafiaron las expectativas de los cosmólogos. En los últimos dos años han surgido discusiones sobre si estas observaciones realmente amenazan un modelo de larga data del universo. El modelo describe el universo como compuesto de una traza de materia visible, cantidades asombrosas de “materia oscura”, que proporciona gravedad para unir las galaxias, y “energía oscura”, que separa a estas galaxias.

El descubrimiento de UHZ-1 representa un punto de inflexión en estas discusiones. Para prepararse para futuras observaciones con el Telescopio Espacial James Webb de un cúmulo masivo de galaxias en la constelación del Escultor, el equipo del Dr. Natarajan solicitó tiempo en el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA. La masa del cúmulo actúa como una lente gravitacional, magnificando los objetos detrás de él en el espacio y el tiempo. Los investigadores esperaban poder vislumbrar con rayos X lo que sea que estuviera viendo la lente.

Lo que encontraron fue un quásar impulsado por un agujero negro supermasivo de aproximadamente 40 millones de veces la masa del Sol. Otras observaciones realizadas por el Telescopio Webb confirmaron que se encontraba a 13.200 millones de años luz de distancia. (El Cúmulo de Escultores se encuentra a unos 3.500 millones de años luz de distancia). Fue el quásar más lejano y antiguo jamás descubierto en el universo.

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

Los resultados indican que los agujeros negros supermasivos existieron 470 millones de años después del Big Bang. Ese no es tiempo suficiente para permitir que los agujeros negros creados por la primera generación de estrellas, que oscilan entre 10 y 100 masas solares, crezcan tanto.

¿Había otra forma de que se formaran agujeros negros más grandes? En 2017, el Dr. Natarajan sugirió que el colapso de las nubes de gas primordiales podría dar origen a agujeros negros 10.000 veces más masivos que el Sol.

“Entonces se puede imaginar que uno de ellos crecerá más tarde para formar este pequeño y temprano gran agujero negro”, dijo el Dr. Holz. Como resultado, señaló, «en cada momento posterior de la historia del universo, siempre habrá algunos agujeros negros sorprendentemente grandes».

«El hecho de que estos objetos comiencen con vidas hipermasivas significa que es probable que eventualmente evolucionen hasta convertirse en agujeros negros supermasivos», dijo el Dr. Natarajan. Pero nadie sabe cómo funciona eso. Los agujeros negros representan el 10% de la masa de la temprana estrella cuásar UHZ-1, mientras que constituyen menos de una milésima parte de la masa de las galaxias modernas, como la galaxia gigante Messier 87, cuyo agujero negro tiene una masa de 6,5 masas. Mil millones de masas solares cuando su imagen fue tomada por el Telescopio del Horizonte de Sucesos en 2019.

Esto sugiere que los efectos de retroalimentaciones ambientales complejas dominan el crecimiento y la evolución de estas galaxias y sus agujeros negros, provocando que acumulen más masa en estrellas y gas.

«De hecho, estos OBG muy tempranos están transmitiendo e iluminando más información sobre la física de la semilla que sobre el crecimiento y desarrollo posteriores», dijo el Dr. Natarajan. “Aunque tiene implicaciones importantes”, añadió.

«Ciertamente sería fantástico si eso fuera lo que está sucediendo, pero realmente no lo sé», dijo el Dr. Holz. «Será una historia fascinante independientemente de cómo se resuelva el misterio de los primeros grandes agujeros negros», añadió.