Los agujeros negros supermasivos (SMBH) son difíciles de explicar. Se cree que estas gigantescas singularidades están en el centro de cada gran galaxia (nuestra Vía Láctea tiene una), pero su presencia allí a veces desafía la explicación fácil. Hasta donde sabemos, los agujeros negros se forman cuando las estrellas gigantes colapsan. Pero esa explicación no se ajusta a todas las pruebas.
La teoría del colapso estelar hace un buen trabajo al explicar la mayoría de los agujeros negros. En esa teoría, una estrella al menos cinco veces más masiva que nuestro Sol comienza a quedarse sin combustible cerca del final de su vida. Dado que la presión externa de la fusión nuclear de una estrella es lo que la apoya contra la gravedad interna de su propia masa, algo tiene que ceder cuando se agota el combustible.
La estrella sufre una explosión de hipernova, luego se derrumba sobre sí misma. Lo que queda es un agujero negro. Los astrofísicos piensan que las SMBH comienzan de esta manera, y crecen en sus enormes tamaños esencialmente "alimentándose" de otra materia. Se hinchan de tamaño y se sientan en el centro de su gravedad como una araña engordando en el medio de su red.
El problema con esa explicación es que lleva mucho tiempo suceder.
Allá afuera en el Universo, los científicos han observado SMBH que son antiguos. En marzo de este año, un grupo de astrónomos anunció el descubrimiento de 83 SMBH que son tan antiguos que desafiaron nuestra comprensión. En 2017, los astrónomos descubrieron un agujero negro de 800 millones de masa solar que se formó completamente solo 690 millones de años después del Big Bang. Nacieron en los primeros días del Universo, antes de que hubiera tiempo de crecer en sus formas supermasivas.
Muchos de estos SMBH son miles de millones de veces más masivos que el Sol. Están en turnos rojos tan altos, que deben haberse formado en los primeros 800 millones de años después del Big Bang. Pero ese no es tiempo suficiente para que el modelo de colapso estelar los explique. La pregunta que enfrentan los astrofísicos es, ¿cómo se hicieron tan grandes esos agujeros negros en tan poco tiempo?
Un par de investigadores de la Western University en Ontario, Canadá, piensan que lo han descubierto. Tienen una nueva teoría llamada "colapso directo" que explica estos SMBH increíblemente antiguos.
Su artículo se titula "La función de masa de los agujeros negros supermasivos en el escenario de colapso directo" y se publica en The Astrophysical Journal Letters. Los autores son Shantanu Basu y Arpan Das. Basu es un experto reconocido en las primeras etapas de la formación de estrellas y la evolución del disco protoplanetario. También es profesor de astronomía en la Western University. Das también es del Departamento de Física y Astronomía de Western.
Su teoría del colapso directo dice que los antiguos agujeros negros supermasivos se formaron extremadamente rápido en períodos de tiempo muy cortos. Entonces, de repente, dejaron de crecer. Desarrollaron un nuevo modelo matemático para explicar estos agujeros negros antiguos que se forman rápidamente. Dicen que el límite de Eddington, que es un equilibrio entre la fuerza radiativa externa de una estrella y la fuerza gravitacional interna, juega un papel importante.
En estos agujeros negros de colapso directo, el límite de Eddington regula el crecimiento masivo, y los investigadores dicen que estos antiguos agujeros negros pueden incluso superar ese límite en una pequeña cantidad, en lo que llaman acreción super-Eddington. Luego, debido a la radiación producida por otras estrellas y agujeros negros, su producción se detuvo.
"Los agujeros negros supermasivos solo tuvieron un corto período de tiempo en el que pudieron crecer rápidamente y luego, en algún momento, debido a toda la radiación en el universo creada por otros agujeros negros y estrellas, su producción se detuvo", explica Basu en comunicado de prensa. "Ese es el escenario de colapso directo".
"Esta es una evidencia de observación indirecta de que los agujeros negros se originan en colapsos directos y no en restos estelares", dijo Basu.
Esta nueva teoría proporciona una explicación efectiva de lo que ha sido un tema espinoso en astronomía durante algún tiempo. Basu cree que estos nuevos resultados pueden usarse con futuras observaciones para inferir el historial de formación de los agujeros negros extremadamente masivos que existen en los primeros tiempos de nuestro universo.
Fuentes:
- Comunicado de prensa: los investigadores arrojan luz sobre los orígenes de los agujeros negros
- Documento de investigación: La función de masa de los agujeros negros supermasivos en el escenario de colapso directo
- Revista espacial: demasiado grande, demasiado pronto. Monster Black Hole visto poco después del Big Bang
- Universidad de Princeton: los astrónomos descubren 83 agujeros negros supermasivos en el universo primitivo
- Wikipedia: Eddington Luminosity (Límite)
