Un estudio revela dónde pudieron formarse los primeros agujeros negros supermasivos
Uno de los grandes enigmas de la astronomía moderna tiene que ver con el tiempo: ¿cómo consiguió el Universo formar agujeros negros gigantescos cuando apenas habían transcurrido unos cientos de millones de años desde el Big Bang?
Las observaciones del Universo temprano, especialmente las realizadas por el telescopio espacial James Webb (JWST), han revelado numerosos objetos que podrían albergar agujeros negros en rápido crecimiento. Algunos aparecen en épocas sorprendentemente tempranas, lo que plantea dificultades para explicar cómo pudieron alcanzar masas tan elevadas en tan poco tiempo.
Ahora, un equipo internacional dirigido por Alessandro Trinca, investigador de la Universidad de Edimburgo, ha utilizado simulaciones cosmológicas para estudiar qué condiciones pudieron favorecer la aparición de las primeras semillas masivas de agujeros negros.
Los resultados apuntan hacia las regiones más densas del joven Universo, donde grandes cantidades de materia, gas y halos de materia oscura creaban unas condiciones especialmente favorables.El problema de formar un gigante tan prontoUna de las formas conocidas de crear un agujero negro comienza con una estrella masiva. Cuando esta agota su combustible, su núcleo puede colapsar y dejar como remanente un agujero negro.
El problema aparece cuando intentamos utilizar este mecanismo para explicar los agujeros negros supermasivos observados en el Universo temprano.
Partiendo de agujeros negros de masa estelar, estos objetos tendrían que crecer mediante la acumulación de materia y las fusiones con otros agujeros negros hasta alcanzar millones o incluso miles de millones de masas solares.
Y tendrían que hacerlo extremadamente rápido.Por esta razón, los astrónomos estudian desde hace años otra posibilidad: que algunas de las primeras semillas de agujeros negros comenzaran siendo mucho más masivas.
Agujeros negros nacidos del colapso directo
Esta hipótesis se conoce como escenario de los agujeros negros de colapso directo, o DCBH por sus siglas en inglés.
En determinadas condiciones, enormes cantidades de gas primordial podrían concentrarse en el centro de las primeras galaxias sin fragmentarse para formar muchas estrellas pequeñas.
En su lugar, el gas podría experimentar un gran colapso gravitatorio y acabar produciendo una semilla de agujero negro mucho más masiva que las generadas mediante el colapso de estrellas convencionales.
Comenzar con una semilla de gran tamaño facilitaría considerablemente la aparición posterior de los agujeros negros supermasivos que ya existían cuando el Universo era muy joven.
Sin embargo, este mecanismo necesita unas condiciones ambientales muy concretas.
Y precisamente eso es lo que los investigadores han intentado estudiar.
Simulando el Universo primitivo
El equipo combinó simulaciones de alta resolución con modelos de formación y evolución de galaxias y agujeros negros.
Uno de los elementos fundamentales del estudio fueron los llamados árboles de fusiones de materia oscura.
Según el modelo cosmológico actual, las grandes estructuras del Universo se formaron progresivamente mediante la unión de estructuras más pequeñas. Los halos de materia oscura crecieron de esta manera, fusionándose entre sí y proporcionando el entorno gravitatorio donde posteriormente evolucionaron las galaxias.
Los investigadores reconstruyeron esta historia utilizando simulaciones cosmológicas y posteriormente estudiaron la evolución de la materia visible —principalmente gas y estrellas— mediante el Cosmic Archaeology Tool (CAT).Esto les permitió seguir las condiciones existentes dentro de los halos capaces de producir semillas de agujeros negros mediante colapso directo.
Las regiones más densas serían especialmente favorablesLos resultados muestran que las llamadas sobredensidades cósmicas pudieron desempeñar un papel fundamental.
Estas eran regiones del Universo temprano donde existían concentraciones de materia muy superiores a la media.
En estos ambientes, los halos de materia oscura crecían y se fusionaban rápidamente, mientras enormes cantidades de gas se concentraban en estructuras relativamente pequeñas.
Las simulaciones indican que estas condiciones podrían haber favorecido la aparición de semillas masivas de agujeros negros mediante colapso directo cuando el Universo tenía menos de 500 millones de años.
Esto ayudaría a explicar cómo algunos agujeros negros pudieron crecer hasta convertirse en auténticos gigantes cósmicos en una etapa tan temprana de la historia del Universo.
Pero existe una diferencia importante: los investigadores no han observado directamente el nacimiento de estos objetos.
El trabajo presenta una predicción teórica basada en simulaciones que identifica qué entornos habrían sido especialmente favorables para su formación.
Las primeras estrellas cambiaron el entorno
Las condiciones necesarias para producir estos agujeros negros tampoco habrían durado indefinidamente.
Las primeras generaciones de estrellas estaban compuestas casi exclusivamente por hidrógeno y helio. Con el tiempo, muchas de ellas explotaron como supernovas y comenzaron a dispersar elementos más pesados por el espacio.
Este proceso se conoce como enriquecimiento químico.
La presencia de elementos pesados modifica la forma en que el gas puede enfriarse. En lugar de permanecer formando una enorme concentración susceptible de experimentar un colapso directo, el gas puede fragmentarse con mayor facilidad y producir estrellas.
Según las simulaciones, este enriquecimiento progresivo del medio intergaláctico habría terminado dificultando la formación de nuevas semillas mediante colapso directo.
Esto significa que pudo existir una ventana relativamente breve en la historia del Universo durante la cual las condiciones fueron especialmente adecuadas para producir estos objetos.
El James Webb puede ayudar a comprobar la hipótesis
El estudio también ofrece una forma de poner a prueba estas predicciones mediante futuras observaciones.
Los investigadores centraron parte de su análisis en los entornos de los cuásares existentes cuando el Universo tenía alrededor de 800 millones de años.
Los cuásares son galaxias cuyo centro alberga un agujero negro supermasivo que está acumulando enormes cantidades de materia. Durante este proceso se libera tanta energía que pueden observarse a miles de millones de años luz de distancia.
Según las simulaciones, algunas de las semillas de agujeros negros formadas anteriormente podrían encontrarse en galaxias más pequeñas situadas alrededor de estos grandes cuásares.
Esto convierte sus alrededores en lugares especialmente interesantes para futuras observaciones del telescopio espacial James Webb.
Si los astrónomos encuentran una población importante de galaxias compañeras que alberguen agujeros negros activos y cuyas características coincidan con las predicciones, sería una pista relevante a favor de la formación de semillas masivas en regiones extremadamente densas.
Nuevas pistas sobre los primeros gigantes del Universo
El estudio no demuestra que todos los primeros agujeros negros supermasivos se formaran mediante colapso directo.
Existen diferentes escenarios para explicar el origen de sus semillas y todavía quedan muchas incógnitas sobre qué mecanismos dominaron durante los primeros cientos de millones de años después del Big Bang.
Sin embargo, estas simulaciones permiten identificar las condiciones en las que el colapso directo habría sido más probable y, sobre todo, proporcionan predicciones que pueden compararse con observaciones reales.
El James Webb está permitiendo estudiar el Universo temprano con un nivel de detalle sin precedentes. Ahora, buscar pequeños agujeros negros activos alrededor de algunos de los cuásares más antiguos conocidos podría ayudar a reconstruir cómo aparecieron los primeros gigantes cósmicos.
Resolver este misterio permitirá comprender no solo el origen de los agujeros negros supermasivos, sino también cómo crecieron y evolucionaron las primeras galaxias del Universo.
Fuentes:
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS)- Alessandro Trinca et al., “Hunting the first cosmic giants: formation and detectability of direct collapse black holes around high-redshift quasars”- University of Edinburgh- Universe Today
