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Lunes, 20 marzo 2017
Astrofísica

El enigma de la formación ultraveloz de agujeros negros colosales en el amanecer del universo

Diversas observaciones realizadas durante la pasada década han demostrado que cuando el universo tenía menos de 800 millones de años ya existían agujeros negros extremadamente masivos. Los que se hallan en el centro de las galaxias suelen poseer masas equivalentes a millones e incluso miles de millones de veces la del Sol, mientras que aquellos que se forman cuando el núcleo de una estrella destruida por una explosión de supernova se derrumba sobre sí mismo, tienen entre 5 y 20 masas solares aproximadamente.

 

La existencia de agujeros negros extremadamente masivos en el universo muy temprano es sorprendente dado que, para un agujero negro de masa estelar (decenas de veces la del Sol), recién creado, no hay una forma factible de crecer hasta tener millones o incluso miles de millones de masas solares en el limitado tiempo disponible.

 

Un agujero negro crece de forma más eficaz a través de la acreción de gas, pero cuando este se acerca mucho al agujero negro, se calienta sobremanera debido a las fuerzas de fricción y por el fuerte campo gravitatorio. El gas caliente resultante genera intensas emisiones de radiación, y una parte de esta ejerce una fuerte presión de radiación, evitando que caiga más gas.

 

Así pues, aunque cerca de un agujero negro haya mucho gas disponible para caer a él, la masa de este no puede crecer a un ritmo tan rápido como para pasar en poco tiempo de una masa estelar a la detectada en los misteriosos agujeros negros supermasivos de la infancia del universo, dado que demasiada acreción (captura de materia hasta conformar un disco de ella que gira alrededor del agujero y del que va cayendo materia a este) acarrea que se generen violentas ráfagas de radiación que repelen al gas cercano al agujero negro.

 

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Ilustración de la formación de un agujero negro supermasivo muy cerca de una protogalaxia. (Imagen: J. Wise (Georgia Tech) & J. Regan (Dublin))

 

Durante los últimos años se ha desarrollado un modelo alternativo para explicar la formación de agujeros negros supermasivos en el universo temprano. En este llamado “modelo de agujero negro por colapso directo”, nubes muy grandes de gas con masas de entre 10.000 y 100.000 masas se derrumban sobre sí mismas por el efecto desbocado de la propia gravedad que generan, y la compresión que sufren va mucho más allá de la que conduce a la formación de una estrella a partir de una nube gas. El proceso comprime la enorme masa de gas de tal modo que se acaba creando un agujero negro directamente.

 

Una condición previa para este colapso directo es que el enfriamiento del gas sea muy ineficiente, o de lo contrario la nube se fragmentaría y produciría estrellas. En el universo muy temprano, la única forma de enfriar gas a bajas temperaturas era a través de la emisión de hidrógeno molecular.

 

El equipo de Peter Johansson, de la Universidad de Helsinki en Finlandia, ha desarrollado un nuevo modelo de simulación para describir en mayor detalle la formación de los agujeros negros supermasivos en el universo temprano, y explicar algunas cuestiones que hasta ahora eran cabos sueltos.

 

En la nueva investigación, se muestra por primera vez que la formación casi simultánea de dos galaxias puede llevar a una situación en la que la radiación de la primera es capaz de destruir el hidrógeno molecular en la segunda justo en el momento adecuado. De esta forma, se puede formar una semilla de agujero negro masivo a través de colapso directo en esta segunda galaxia, y dicho agujero negro puede aumentar su masa de forma lo bastante rápida como para alcanzar valores del orden de mil millones de veces la masa del Sol en la temprana época del universo de la cual datan los citados agujeros supermasivos observados.

 

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