Cómo crear un agujero negro de la nada

¿Cuántas maneras hay de salir de este universo?

Quizás la salida más famosa sea La muerte de una estrella. En 1939, el físico J. Robert Oppenheimer y su alumno Harlan Snyder de la Universidad de California, Berkeley, predijeron 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 luz a su alrededor en lo que hoy se llama un agujero negro.

Pero resulta que puede que no sea necesaria una estrella muerta para formar un agujero negro. En cambio, al menos en el universo primitivo, nubes gigantes de gas primordial podrían haber colapsado directamente en agujeros negros, evitando millones de años pasados ​​en el estrellato.

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

Es un tiempo inusualmente corto, cósmicamente hablando, para que un agujero negro tan masivo haya nacido como resultado de colapsos y fusiones de estrellas. Priyamvada Natarajan, astrónomo de Yale y autor principal de un artículo publicado en Astrophysical Journal Lettersy sus colegas dicen que en UHZ-1 han descubierto una nueva especie celeste, a la que llaman galaxia de agujero negro supermasiva u OBG. En esencia, una OBG es una galaxia joven anclada por un agujero negro que creció demasiado y muy rápidamente. .

El descubrimiento de este cuásar temprano podría ayudar a los astrónomos a resolver un enigma relacionado que los ha desconcertado durante décadas. Casi todas las galaxias visibles en el universo moderno parecen albergar en su centro un agujero negro supermasivo millones de miles de millones de veces más masivo que el sol. ¿De dónde vinieron estos monstruos? ¿Podrían los agujeros negros ordinarios haber crecido tan rápidamente?

El Dr. Natarajan y sus colegas proponen que UHZ-1, y por tanto quizás muchos agujeros negros supermasivos, comenzaron como nubes primordiales. Estas nubes podrían haberse colapsado en los primeros núcleos pesados, y lo suficiente como para reiniciar el crecimiento de galaxias con agujeros negros supermasivos. También nos recuerdan que el universo que vemos está gobernado por la geometría invisible de la oscuridad.

«Como primer candidato a OBG, UHZ-1 proporciona evidencia convincente de la formación de semillas iniciales pesadas a partir del colapso directo en el universo temprano», escribieron el Dr. Natarajan y sus colegas. En un correo electrónico, añadió: “¡La naturaleza parece producir semillas de BH de varias maneras, más allá de la simple muerte estelar! »

Daniel Holz, teórico de la Universidad de Chicago que estudia los agujeros negros, dijo: “Priya ha descubierto un agujero negro extremadamente emocionante, si es cierto. »

Y añadió: “Es demasiado grande y demasiado pronto. Es como mirar una clase de jardín de infantes y, de todos los niños de 5 años, hay uno que pesa 150 libras y/o seis pies de altura.

La historia que se cuentan los astrónomos sobre la evolución del universo es que las primeras estrellas se condensaron a partir de nubes de hidrógeno y helio que dejó el Big Bang. Ardieron caliente y rápidamente, explotaron rápidamente y colapsaron en agujeros negros de 10 a 100 veces más masivos que el sol.

A lo largo de eones, se formaron sucesivas generaciones de estrellas a partir de las cenizas de estrellas anteriores, enriqueciendo la química del cosmos. Y los agujeros negros que quedaron tras sus muertes continuaron fusionándose y creciendo de una forma u otra, convirtiéndose en agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias.

El telescopio espacial James Webb, lanzado hace dos años en Navidad, fue diseñado para probar esta idea. Tiene el espejo más grande del espacio, mide 21 pies de diámetro. Más importante aún, fue diseñado para registrar longitudes de onda infrarrojas de luz de las estrellas más distantes y, por lo tanto, más antiguas del universo.

Pero tan pronto como el nuevo telescopio apuntó hacia el cielo, detectó nuevas galaxias tan masivas y brillantes que desafiaron las expectativas de los cosmólogos. En los últimos años se han avivado los debates sobre si estas observaciones realmente amenazan un modelo antiguo del cosmos. El modelo describe el universo como compuesto por una traza de materia visible, cantidades asombrosas de «materia oscura», que proporciona la gravedad necesaria para mantener unidas a las galaxias, y «energía oscura», que separa estas galaxias.

El descubrimiento de UHZ-1 representa un punto de inflexión en estos debates. En preparación para una futura observación del 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, ampliando los objetos que se encuentran muy detrás de él en el espacio y el tiempo. Los investigadores esperaban poder vislumbrar mediante rayos X cualquier cosa que la lente pudiera revelar.

Lo que descubrieron fue un quásar impulsado por un agujero negro supermasivo aproximadamente 40 millones de veces más masivo que el sol. Otras observaciones del Telescopio Webb confirmaron que se encontraba a 13.200 millones de años luz de distancia. (El cúmulo Sculptor está a unos 3.500 millones de años luz de distancia). Fue el quásar más distante 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 Akos Bogdan del Centro de Astrofísica de Harvard y Smithsonian en un comunicado de prensa. «También aprovechamos una lupa cósmica que aumentó la cantidad de luz que detectamos».

Los resultados indican que los agujeros negros supermasivos ya existían 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 (comenzando entre 10 y 100 masas solares) crezcan tanto.

¿Existe otra forma de crear agujeros negros aún más grandes? En 2017, el Dr. Natarajan sugirió que el colapso de nubes de gas primordial podría haber dado lugar a agujeros negros más de 10.000 veces más masivos que el sol.

“Entonces se puede imaginar que uno de ellos crece hasta convertirse en este agujero negro joven y precozmente grande”, dijo el Dr. Holz. Como resultado, señaló, «en cada época posterior de la historia del universo, siempre habrá agujeros negros sorprendentemente grandes».

El Dr. Natarajan dijo: “El hecho de que estos comiencen en la vida como supermasivos implica que probablemente eventualmente evolucionarán hasta convertirse en agujeros negros supermasivos. » Pero nadie sabe cómo funciona. Los agujeros negros representan el 10% de la masa del primer cuásar UHZ-1, mientras que representan menos de una milésima por ciento de la masa de las galaxias modernas como la gigante Messier 87, cuyo agujero negro pesaba el 6,5%. Mil millones de masas solares cuando su fotografía fue tomada por el telescopio Event Horizon en 2019.

Esto sugiere que complejos efectos de retroalimentación ambiental dominan el crecimiento y la evolución de estas galaxias y sus agujeros negros, provocando que sus masas aumenten en estrellas y gas.

«De hecho, estos OBG extremadamente tempranos transmiten mucha más información y arrojan luz sobre la física de la siembra en lugar del crecimiento y la evolución posteriores», dijo el Dr. Natarajan. Y añadió: “Aunque tienen implicaciones importantes. »

El Dr. Holz dijo: “Ciertamente sería genial si eso fuera lo que está sucediendo, pero soy verdaderamente agnóstico. » Y añadió: “Esta será una historia fascinante, independientemente de cómo resolvamos el misterio de los primeros grandes agujeros negros. »