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¿Agujeros negros sin origen estelar?

Los resultados de una nueva investigación sugieren que hay agujeros negros, antiquísimos, que jamás fueron estrellas.

La evidencia principal de que esto puede ser así es el extraño perfil de una emisión de radiación, distinto a cualquier otro, y que solo se explicaría por la formación de un agujero negro directamente a partir de gas del entorno, en el universo primigenio, cuando las condiciones reinantes en el cosmos eran muy diferentes de las actuales. Estos raros agujeros negros, catalogados como “de colapso directo”, ya fueron predichos por teóricos hace más de un decenio. Ahora parece que hay una evidencia de su existencia.

La nueva investigación es obra del equipo de Aaron Smith y Volker Bromm, de la Universidad de Texas en la ciudad estadounidense de Austin, así como Avi Loeb, del Centro para la Astrofísica (CfA) en Cambridge, Massachusetts, gestionado conjuntamente por la Universidad Harvard y el Instituto Smithsoniano, todas estas entidades en Estados Unidos.

Estos agujeros negros de colapso directo podrían ser la solución a un rompecabezas que ha desconcertado desde hace mucho tiempo a la comunidad científica: ¿cómo se formaron los agujeros negros supermasivos de los primeros tiempos del universo? Hay fuertes evidencias de su existencia, y de hecho son necesarios para energizar los luminosísimos quásares detectados en el universo muy joven (captable en regiones a gran distancia, tantos años atrás en el tiempo como años-luz las separan de la Tierra). Sin embargo, la explicación tradicional de que tales agujeros negros supermasivos y antiquísimos son cadáveres estelares que ganaron masa absorbiéndola poco a poco de su entorno se topa con varios problemas; esencialmente estos indican que tales agujeros no pudieron crecer tanto en tan poco tiempo.

  Imagen basada en una simulación ejecutada por una supercomputadora del entorno cosmológico donde el gas primigenio sufre el colapso directo del que nace un agujero negro. El gas fluye a lo largo de filamentos de materia oscura que forman una red cósmica conectando estructuras en el universo temprano. Las primeras galaxias se formaron en la intersección de estos filamentos de materia oscura. (Imagen: Aaron Smith/TACC/UT-Austin)


Imagen basada en una simulación ejecutada por una supercomputadora del entorno cosmológico donde el gas primigenio sufre el colapso directo del que nace un agujero negro. El gas fluye a lo largo de filamentos de materia oscura que forman una red cósmica conectando estructuras en el universo temprano. Las primeras galaxias se formaron en la intersección de estos filamentos de materia oscura. (Imagen: Aaron Smith/TACC/UT-Austin)

La explicación tradicional de cómo crecen en el corazón de la mayoría de las galaxias en la época actual los agujeros negros supermasivos con millones (y hasta varios miles de millones) de veces la masa del Sol es la que sigue a continuación. Un agujero de este tipo comienza siendo uno de tipo estelar, o sea el cadáver ultradenso que perdura tras la explosión en supernova de una estrella de gran masa. Este agujero negro estelar es, por así decirlo, la semilla de uno supermasivo. Comienza a ganar masa absorbiendo gas de sus alrededores. Si se dan las condiciones oportunas, puede fusionarse con otros agujeros negros semilla.

Esta teoría convencional no explica los agujeros negros supermasivos en quásares extremadamente distantes (y que por tanto ya poseían su colosal masa cuando el universo era aún muy joven). Los quásares pueden resultar visibles para nosotros a pesar de su distancia de miles de millones de años-luz gracias a su increíble brillo. Este resplandor procede de la materia que cae al agujero negro supermasivo. Al acercarse a él, se calienta hasta alcanzar temperaturas de millones de grados, y eso provoca la generación de chorros que brillan como faros a través del universo.

Estas galaxias antiquísimas podrían haber contenido la primera generación de estrellas creadas después del Big Bang. Y aunque entre estas estrellas debió haber bastantes que estallaron en forma de supernova, no parece posible que pudieran actuar como semillas tempranas de quásar, ya que no podía existir el gas necesario alrededor del agujero negro para que este pudiera crecer hasta la masa necesaria. No podía existir todo ese gas ahí porque por fuerza tuvo que ser expulsado por los vientos de las estrellas calientes recién formadas.

Durante décadas, los astrónomos han llamado a este enigma el “problema de la semilla del quásar”.

En 2003, Bromm y Loeb dieron forma a una idea teórica para conseguir que en una galaxia del universo temprano se formase un agujero negro que creciese en masa lo bastante deprisa como para ser supermasivo no mucho tiempo después. Los astrónomos llamaron más tarde a este proceso “colapso directo”.

El proceso de colapso directo empieza con una nube primigenia de hidrógeno y helio, bañada en un mar de radiación ultravioleta. Esta nube se contrae por efecto del campo gravitatorio de un halo de materia oscura. Normalmente, la nube debería poder enfriarse y fragmentarse para formar estrellas. Sin embargo, los fotones ultravioleta mantienen el gas caliente, evitando por tanto la fragmentación y la formación estelar. El gas se va compactando inexorablemente, pero sin fragmentarse, hasta que llega un momento en que el objeto se derrumba sobre sí mismo por su enorme masa, generándose a partir de aquí un agujero negro masivo.

Las condiciones cósmicas para este fenómeno no se dan hoy en día, pero en cambio sí existían en aquel período de tiempo de la historia del universo.

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