¿Cómo es que los agujeros negros supermasivos se hicieron tan grandes y tan rápido justo después del Big Bang?

"Es como ver a una familia caminando por la calle y tienen dos adolescentes de seis pies de altura, pero también tienen con ellos a un niño pequeño de seis pies de altura".

Los científicos ahora entienden que los agujeros negros supermasivos acechan en el corazón de la mayoría, si no de todas, las galaxias. Estos titanes cósmicos tienen masas de millones e incluso miles de millones de veces la del Sol, pero su enorme tamaño no constituye un problema cuando se ven agujeros negros supermasivos en el universo local y, por tanto, más recientes en la historia cósmica.

Sin embargo, los agujeros negros supermasivos se convierten en un problema cuando se ven en el universo primitivo, y ya tienen masas equivalentes a miles de millones de soles. Esto se debe a que debe haber algún mecanismo que permita a los agujeros negros supermasivos acumular masa rápidamente y crecer hasta tamaños tan gigantescos; sin embargo, todos los mecanismos existentes para este crecimiento sugieren que este proceso avanza demasiado lento para que objetos como este existan justo después del Big Bang.

"Durante las últimas dos décadas, los astrónomos han encontrado agujeros negros supermasivos con las mismas masas que en el universo local y, por lo tanto, más reciente (miles de millones de masas solares) hace casi 13 mil millones de años, menos de mil millones de años después del Big Bang", dijo Royal. John Reagan, investigador de la Society University en la Universidad de Maynooth, dijo a Space.com.

Regan describe el problema con una analogía un tanto inquietante. "Es como ver a una familia caminando por la calle, y tienen dos adolescentes de seis pies, pero también tienen con ellos un niño pequeño de seis pies de altura. Eso es un problema, ¿cómo llegó el niño a ser tan alto? Y es Lo mismo ocurre con los agujeros negros supermasivos del universo. ¿Cómo se volvieron tan masivos tan rápidamente?

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Esta cuestión se complicó aún más este año cuando el Telescopio Espacial James Webb (JWST) descubrió el agujero negro supermasivo más distante y temprano. Situado en el corazón de la galaxia CEERS 1019, este agujero negro tiene una masa 9 millones de veces la del Sol, lo que lo hace relativamente diminuto para ser un agujero negro supermasivo.

Sin embargo, incluso con este tamaño, su existencia apenas 570 millones de años después del Big Bang desafía las teorías sobre el crecimiento de los agujeros negros. Y este agujero negro de 9 millones de masas solares no estaba solo. La misma campaña de observación que reveló este agujero negro supermasivo, el Estudio Científico de Liberación Temprana de Evolución Cósmica (CEERS), también descubrió otros dos agujeros negros supermasivos que existieron mil millones y 1,1 mil millones de años después del Big Bang.

"Con cada nuevo descubrimiento, las limitaciones de nuestras ideas existentes se vuelven más fuertes", dijo a Space.com el profesor Shantanu Basu de la Universidad Canadiense de Western Ontario. "Estábamos preocupados cuando se vieron agujeros negros supermasivos 800 millones de años después del Big Bang. CEERS simplemente aumenta enormemente el desafío".

Esto sugiere que los agujeros negros supermasivos son comunes en la relativa infancia del universo, no una rareza cósmica, lo que ejerce más presión sobre la búsqueda de un mecanismo que explique cómo llegaron allí.

Sin tener en cuenta los agujeros negros primordiales que, según la hipótesis, quedaron después del Big Bang, las tres categorías principales de agujeros negros son los agujeros negros de masa estelar, que tienen una masa entre 5 y 100 veces la del Sol, y los agujeros negros de masa intermedia, con masas entre 100 y 10.000 veces la del Sol. el del sol, y agujeros negros supermasivos con las masas mencionadas anteriormente.

Los agujeros negros de masa estelar se forman cuando las estrellas más masivas, con entre 30 y 130 masas solares, se quedan sin combustible para la fusión nuclear y ya no pueden sostenerse contra su propia gravedad. A medida que las capas exteriores de estas estrellas son arrastradas por enormes explosiones de supernova, los núcleos colapsan para crear agujeros negros de masa estelar: regiones del espacio con un punto de densidad infinita llamado singularidad en su centro y un límite exterior llamado horizonte de sucesos donde La fuerza de la gravedad es tan grande que ni siquiera la luz puede escapar de ella.

Los agujeros negros supermasivos deben formarse de una manera diferente a la de los agujeros negros de masa estelar, ya que es imposible que una estrella sea lo suficientemente grande como para tener la masa inicial inicial para perder masa a medida que evoluciona a través de eventos como la supernova que acompaña al colapso gravitacional de la estrella pero aún deja atrás un núcleo lo suficientemente masivo como para convertirse en un agujero negro supermasivo.

Durante muchos años, los astrónomos han creído que los agujeros negros supermasivos podrían comenzar su vida como "agujeros negros semilla" que son mucho más pequeños. Creciendo primero alimentándose de material y luego fusionándose con otros agujeros negros cuando las galaxias en las que residen colisionan, algo que también proporciona a estos agujeros negros supermasivos en ciernes gas y polvo del que alimentarse.

El crecimiento de semillas de agujeros negros de masa estelar podría ocurrir cuando estas semillas cósmicas se encuentren rodeadas por grandes cantidades de materia y se deleite con avidez con este material para crecer rápidamente hasta convertirse en agujeros negros supermasivos.

Sin embargo, ese proceso debería verse frenado por algo llamado límite de Eddington. La luminosidad o brillo de un agujero negro que se alimenta es proporcional a la velocidad a la que acumula masa. Cuanto más rápido consume materia un agujero negro, más rápido crece, y cuanto más rápido crece, más radiación electromagnética es expulsada por su entorno. Pero, si la radiación electromagnética emitida alrededor de un agujero negro en forma de chorros es lo suficientemente intensa, físicamente empuja el material hacia afuera. Esto significa que cuanto más rápido "come" un agujero negro, más probable es que su suministro de alimentos sea interrumpido y expulsado, deteniendo así ese crecimiento.

El límite de Edington significa que los agujeros negros deberían tardar miles de millones de años en acumular suficiente materia para alcanzar el estado de agujero negro supermasivo. Regan es parte de un equipo de investigadores que investigó algo llamado "superacreción de Eddington", que podría explicar el rápido crecimiento de agujeros negros supermasivos en el universo temprano. Esto no sería, explicó, nada particularmente especial, sólo una versión más rápida de la alimentación normal de un agujero negro.

Esto conduciría a rápidos "episodios" de alimentación con material expulsado por los chorros, deteniendo la alimentación y, por tanto, cortando los chorros. Esto permite que el material vuelva a caer en el agujero negro, lo que desencadena otro episodio de festín frenético. Sin embargo, Regan y sus colegas encontraron esta explicación insatisfactoria.

"Si se promedia este ciclo de alimentación a lo largo del tiempo, en realidad es menor que la tasa de Eddington", dijo Regan. "Podría estar bien durante uno o dos ciclos, pero en general, con el tiempo, no es bueno porque simplemente no puede, no funciona continuamente. Así que no encontramos que este no fuera un gran mecanismo para explicar realmente la supermasividad". crecimiento del agujero negro."

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Otra posibilidad que podría ayudar a explicar el rápido crecimiento de los agujeros negros supermasivos es la idea de que la semilla del agujero negro a partir del cual crecen sea de tamaño masivo, según Regan.

"Tenemos semillas ligeras y semillas pesadas, por lo que los agujeros negros supermasivos podrían nacer con 100 masas solares y crecer hasta convertirse en agujeros negros supermasivos, o podrían comenzar siendo 100.000 más masivos que el Sol y crecer a partir de allí", dijo Regan. "Si quieren crecer, un pequeño agujero negro tiene que tener una suerte excepcional y encontrarse en un entorno denso donde hay muchísimo gas a su alrededor. Pero eso es muy poco probable.

"Es mucho, mucho, mucho más probable que un pequeño agujero negro se encuentre en un ambiente sin gas. Por lo tanto, es muy poco probable que esas pequeñas semillas de agujero negro puedan crecer".

Las semillas masivas de agujeros negros todavía tendrían que llegar a estos entornos densos, pero al menos tendrían una ventaja sobre las semillas más pequeñas. Volviendo a la analogía del bebé de seis pies, Regan explica que el crecimiento de este niño es aún más difícil de explicar si nació con la longitud de un bebé promedio. Pero, si este bebé nació y ya medía un metro de largo, su transformación en un niño de seis pies de altura no es tan difícil de explicar.

El problema de investigar esto es que, a diferencia de los niños pequeños, los agujeros negros carecen de características más allá de su masa, momento angular (giro) y carga eléctrica. Los científicos llaman a esto el "teorema sin pelo" y significa que los agujeros negros son engañosamente simples y no contienen información sobre su historia o evolución.

"Si encuentras un agujero negro en tu jardín, no puedes saberlo mirándolo, no sabes si llegó allí ayer, hace un minuto o hace mil millones de años. No tiene historia, no hay huellas dactilares, " él continuó. "Entonces, cuando miramos los agujeros negros hoy o hace 13 mil millones de años, no tenemos idea de cuál es su edad, por lo que no sabemos durante cuánto tiempo han podido crecer".

Basu añadió que observar el proceso de alimentación que está acumulando agujeros negros en el universo primitivo no ha sido posible ya que ocurre tan lejos de nosotros, pero detectar la alimentación de agujeros negros supermasivos puede ser posible en el futuro. "Las hipotéticas estrellas supermasivas del universo temprano serían extremadamente luminosas, tal vez diez mil millones de veces más brillantes que nuestro sol. Es posible que el Telescopio Espacial James Webb (JWST) o Euclid puedan detectar tales objetos si están presentes tan tarde como unas pocas cien millones de años después del Big Bang." A pesar de estas cuestiones, Regan confía en que, al investigar los agujeros negros en el universo primitivo y al descubrir potencialmente semillas pesadas, los científicos pronto podrán construir una imagen del crecimiento de los agujeros negros supermasivos. En particular, señaló el lanzamiento de la Antena Espacial con Interferómetro Láser (LISA), un detector de ondas gravitacionales basado en el espacio que ayudará a los científicos a limitar mejor la demografía de los agujeros negros en el universo temprano.

"Creo que hemos logrado un gran progreso en los últimos 10 años. Enorme. Y continuaremos logrando un progreso masivo también durante la próxima década", dijo Regan. "Extrapolar a partir de estos datos demográficos nos dará una idea muy, Muy buena idea del número de fusiones que ocurren en el universo distante que involucran agujeros negros en exactamente el rango de masa que necesitamos, con masas alrededor de 100.000 veces la del sol.

"Creo que es muy probable que habremos resuelto este problema en los próximos 5 a 10 años".

Puede leer más sobre el estudio pionero CEERS del telescopio espacial James Webb que está descubriendo agujeros negros en el universo temprano aquí: https://ceers.github.io/

JA Regan., TP Downes., M. Volonteri., et al, Acreción y retroalimentación de Super-Eddington desde los primeros agujeros negros semilla masivos, [2018], [https://arxiv.org/abs/1811.04953]

El telescopio Webb detecta el agujero negro supermasivo activo más distante, UT News, [2023], [https://news.utexas.edu/2023/07/06/webb-telescope-detects-most-distant-active-supermassive-black- agujero/]

CH. Lin., KJ Chen., CY. Hwang., Crecimiento rápido de agujeros negros supermasivos galácticos a través de la acreción de nubes moleculares gigantes durante las principales fusiones de sus galaxias anfitrionas, [2023], [https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acd841]

S. Batu., A. Das., La función de masa de los agujeros negros supermasivos en el escenario de colapso directo, [2019], [https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab2646]

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Robert Lea es un periodista científico del Reino Unido cuyos artículos se han publicado en Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space, Newsweek y ZME Science. También escribe sobre comunicación científica para Elsevier y el European Journal of Physics. Rob tiene una licenciatura en física y astronomía de la Open University del Reino Unido. Síguelo en Twitter @sciencef1rst.

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