¿Cómo se formaron los primeros Agujeros Negros?

Agujeros Negros Primordiales | Cuásares

En el universo antiguo, los astrónomos pueden observar los cuásares, objetos extremadamente brillantes impulsados ​​por enormes agujeros negros. Sin embargo, no está claro cómo los agujeros negros de este tamaño podrían haberse formado tan rápidamente después del Big Bang.

Para resolver el misterio, los científicos propusieron un mecanismo novedoso para la formación de agujeros negros. En lugar de nacer en la muerte de estrellas masivas, las semillas de los agujeros negros supermasivos más antiguos podrían haberse colapsado directamente de las nubes de gas.

Imagina el universo en su infancia. La mayoría de los científicos piensan que el espacio y el tiempo se originaron con el Big Bang. A partir de ese comienzo cálido y denso, el cosmos se expandió y se enfrió, pero las estrellas y las galaxias tardaron un tiempo en llenar el cielo. No fue sino hasta unos 380,000 años después del Big Bang que los átomos pudieron mantenerse unidos y llenar el universo en su mayoría con gas hidrógeno. Cuando el universo tenía unos cientos de millones de años, este gas se unió en las primeras estrellas, que se formaron en cúmulos que se agruparon en galaxias, la más antigua de las cuales aparece 400 millones de años después del nacimiento del universo. Para su sorpresa, los científicos han descubierto que otra clase de objetos astronómicos también comienza a aparecer en este punto: los cuásares.

Los cuásares son objetos extremadamente brillantes alimentados por gas que cae sobre agujeros negros supermasivos. Son algunos de los objetos más luminosos del universo, visibles hasta los confines del espacio. Los cuásares más distantes también son los más antiguos, y los más antiguos entre ellos representan un misterio.

Para ser visibles a distancias tan increíbles, estos cuásares deben ser alimentados por agujeros negros que contienen aproximadamente mil millones de veces la masa del sol. Sin embargo, las teorías convencionales de formación y evolución de agujeros negros sugieren que un agujero negro lo suficientemente grande como para alimentar estos cuásares no podría haberse formado en menos de mil millones de años. Sin embargo, en 2001, con el Sloan Digital Sky Survey, los astrónomos comenzaron a encontrar cuásares que databan de antes. El cuásar más antiguo y más lejano conocido existió solo 690 millones de años después del Big Bang. En otras palabras, no parece que haya habido suficiente tiempo en la historia del universo para que se formen cuásares como este.

Muchos astrónomos piensan que los primeros agujeros negros son los restos de las primeras estrellas, cadáveres que quedaron después de que las estrellas explotaran en supernovas. Sin embargo, estos remanentes estelares no deberían contener más que unos pocos cientos de masas solares. Es difícil imaginar un escenario en el que los agujeros negros que alimentan los primeros cuásares crecieron a partir de semillas tan pequeñas.

Para resolver este dilema, hace una década, algunos científicos propusieron una forma en que los agujeros negros de semillas lo suficientemente masivos como para explicar los primeros cuásares podrían haberse formado sin el nacimiento y la muerte de las estrellas. En cambio, estas semillas de agujeros negros se habrían formado directamente a partir del gas.

Los agujeros negros son objetos astronómicos enigmáticos, áreas donde la gravedad es tan inmensa que ha deformado el espacio-tiempo para que ni siquiera la luz pueda escapar. No fue hasta la detección de los cuásares, que permiten a los astrónomos ver la luz emitida por la materia que cae en los agujeros negros, que tuvimos evidencia de que eran objetos reales y no solo curiosidades matemáticas predichas por la teoría general de la relatividad de Einstein.

Se cree que la mayoría de los agujeros negros se forman cuando las estrellas muy masivas, aquellas con más de 10 veces la masa del sol, agotan su combustible nuclear y comienzan a enfriarse y, por lo tanto, se contraen. Finalmente, la gravedad gana y la estrella se derrumba, encendiendo una explosión de supernova cataclísmica y dejando un agujero negro.

Los astrónomos han asumido tradicionalmente que la mayoría de los agujeros negros que alimentan los primeros cuásares también se formaron de esta manera. Podrían haber nacido de la desaparición de las primeras estrellas del universo (estrellas de la Población III), que creemos que se formaron cuando el gas primordial se enfrió y fragmentó unos 200 millones de años después del Big Bang.

Las estrellas de la Población III probablemente fueron más masivas que las estrellas nacidas en el universo posterior, lo que significa que podrían haber dejado agujeros negros tan fuertes como varios cientos de masas solares. Estas estrellas probablemente también se formaron en densos cúmulos, por lo que es probable que los agujeros negros creados en sus muertes se hubieran fusionado, dando lugar a agujeros negros de varios miles de masas solares. Sin embargo, incluso los agujeros negros de este tamaño son mucho más pequeños que las masas necesarias para alimentar los antiguos cuásares.

Las teorías también sugieren que los llamados agujeros negros primordiales podrían haber surgido incluso antes en la historia cósmica, cuando el espacio-tiempo puede haberse expandido exponencialmente en un proceso llamado inflación. Los agujeros negros primordiales podrían haberse unido a pequeñas fluctuaciones en la densidad del universo y luego crecer a medida que el universo se expandía. Sin embargo, estas semillas pesarían solo entre 10 y 100 masas solares, presentando el mismo problema que los restos de la Población III.

Como explicación para los primeros cuásares, cada una de estas vías para la formación de semillas de agujeros negros tiene el mismo problema: las semillas tendrían que crecer extraordinariamente rápido dentro de los primeros mil millones de años de historia cósmica para crear los primeros cuásares. Y lo que sabemos sobre el crecimiento de los agujeros negros nos dice que este escenario es altamente improbable.

Nuestra comprensión actual de la física sugiere que existe una tasa de alimentación óptima, conocida como la tasa de Eddington, en la cual los agujeros negros ganan masa de manera más eficiente. Un agujero negro que se alimenta al ritmo de Eddington crecería exponencialmente, duplicándose en masa cada 107 años más o menos. Para crecer a 109 masas solares, una semilla de agujero negro de 10 masas solares tendría que engullir estrellas y gas sin obstáculos a la tasa de Eddington durante mil millones de años. Es difícil explicar cómo una población entera de agujeros negros podría alimentarse continuamente de manera tan eficiente.

En efecto, si los primeros cuásares crecieron a partir de semillas del agujero negro de la Población III, habrían tenido que comer más rápido que la tasa de Eddington. Superar esa tasa es teóricamente posible en circunstancias especiales en entornos densos y ricos en gas, y estas condiciones pueden haber estado disponibles en el universo temprano, pero no habrían sido comunes y habrían sido de corta duración.

Además, un crecimiento excepcionalmente rápido en realidad puede causar "asfixia", donde la radiación emitida durante estos episodios de Super-Eddington podría interrumpir e incluso detener el flujo de masa en el agujero negro, deteniendo su crecimiento. Dadas estas restricciones, parece que una fiesta extrema podría explicar algunos cuásares anormales, pero no puede explicar la existencia de toda la población detectada a menos que nuestra comprensión actual de la tasa de Eddington y el proceso de alimentación del agujero negro sea incorrecta.

Por lo tanto, debemos preguntarnos si las primeras semillas de agujero negro podrían haberse formado a través de otros canales, como el colapso de nubes de gas.

Las simulaciones de flujos de gas a gran escala, así como la física de los procesos a pequeña escala, respaldan este modelo para la formación de Agujeros Negros de Colapso Directo. Por lo tanto, la idea de semillas iniciales muy grandes parece factible en el universo temprano. Y comenzar con semillas en este rango alivia el problema de tiempo para la producción de los agujeros negros supermasivos que alimentan los cuásares más brillantes y distantes.