Cómo nacieron los primeros agujeros negros supermasivos

Astrónomos Universidad Estatal de Ohio creen que han descubierto el origen de los primeros agujeros negros supermasivos del Universo, formados hace unos 13.000 millones de años

El descubrimiento cubre un capítulo perdido de la historia temprana del Universo y podría ayudar a escribir el capítulo siguiente, para que los científicos entiendan mejor cómo la gravedad y la materia oscura formaron el Universo tal como lo conocemos.

En la revista Nature, el astrónomo Stelios Kazantzidis, de la Universidad del Estado de Ohio, y sus colegas, describen simulaciones por computadora en las que modelan la evolución de las galaxias y los agujeros negros durante los primeros millones de años después del Big Bang.

Se piensa que el Universo tiene 14.000 millones de años. Otros astrónomos determinaron recientemente que las grandes galaxias se formaron mucho antes en la historia del Universo de lo que se pensaba: dentro de los primeros mil millones de años, explicó Kazantzidis.

Estas nuevas simulaciones muestran que los primeros agujeros negros supermasivos probablemente nacieron cuando esas galaxias tempranas colisionaron y se fusionaron. «Nuestros resultados agregan un nuevo hito para la importante comprensión de cómo se forman las estructuras en el Universo», dijo.

Durante más de dos décadas, el conocimiento prevaleciente entre los astrónomos había sido que las galaxias evolucionaron jerárquicamente, es decir, la gravedad atrajo pequeños trozos de materia en primer lugar y esos pequeños trozos poco a poco se reunieron para formar estructuras más grandes.

Kazantzidis y su equipo cambiaron esa noción.

«Junto con estos otros descubrimientos, nuestros resultados muestran que las grandes estructuras —galaxias y agujeros negros masivos— se formaron rápidamente en la historia del Universo», dijo. «Sorprendentemente, esto es contrario a la formación de la estructura jerárquica».

«La paradoja se resuelve cuando se percibe que la materia oscura crece jerárquicamente, pero no así la materia ordinaria», continuó. «La materia normal que compone las galaxias visibles y los agujeros negros supermasivos se contrae de manera más eficiente y esto era cierto también cuando el Universo era muy joven, dando lugar a la formación antijerárquica de galaxias y agujeros negros».

Para Kazantzidis y otros astrónomos, nuestra galaxia, la Vía Láctea, es pequeña en comparación con otras.

Así que cuando se trata de materia normal, los pedazos grandes como galaxias gigantes y agujeros negros supermasivos se juntan rápidamente y los más pequeños como nuestra propia Vía Láctea —y el relativamente pequeño agujero negro en su centro— lo hicieron más lentamente. Las galaxias que formaron estos primeros agujeros negros supermasivos todavía están alrededor, añadió Kazantzidis.

«Uno de ellos está probablemente en nuestro vecino cúmulo de Virgo, la galaxia elíptica M87», dijo. «Las galaxias que vimos en nuestra simulación serían las más grandes conocidas hoy, cerca de 100 veces el tamaño de la Vía Láctea. M87 se ajusta a esa descripción».

Ellos comenzaron sus simulaciones con dos galaxias primigenias gigantes —formadas con estrellas que nacieron alrededor del comienzo del Universo. Los astrónomos creen que en aquel entonces todas las estrellas eran mucho más masivas que las actuales— hasta 300 veces la masa del Sol.

A continuación, los astrónomos simularon las galaxias chocando y fusionándose.

Los astrónomos pudieron hacer su descubrimiento utilizando supercomputadoras para proporcionar una vista en alta resolución de lo que ocurrió después.

Simulaciones anteriores mostraban detalles de la galaxia fusionada de sólo unos 300 años luz de diámetro. Un año luz es la distancia que la luz viaja en el año, cerca de 10 billones de kilómetros.

Estas nuevas simulaciones contienen rasgos 100 veces más pequeños y revelaron detalles del corazón de las galaxias fusionadas a una escala de menos de un año luz.

Los astrónomos vieron que ocurrían dos cosas: en primer lugar, el gas y el polvo en el centro de las galaxias se condensaron para formar un estrecho disco nuclear. A continuación, el disco se hizo inestable y el gas y el polvo se contrajeron una vez más, para formar una nube incluso más densa, que eventualmente dio lugar a un agujero negro supermasivo.

Las implicaciones para la cosmología son profundas, dijo Kazantzidis.

«Por ejemplo, la idea estándar —que las propiedades de una galaxia y la masa de su agujero negro central están relacionadas debido a que los dos crecen en paralelo— se deberán revisar. En nuestro modelo, el agujero negro crece mucho más rápido que la galaxia. Por ello, podría ser que el agujero negro no esté regulado en absoluto por el crecimiento de la galaxia. Podría ser que la galaxia esté regulada por el crecimiento del agujero negro».

Él y sus colegas creen también que su trabajo ayudará a los astrónomos que están buscando en los cielos pruebas directas de la teoría de Einstein de la relatividad general: las ondas gravitacionales.

De acuerdo con la relatividad general, cualquier fusión de galaxias antiguas habría creado enormes ondas gravitacionales —ondulaciones en el continuo espacio-tiempo—, cuyos restos todavía deben ser visibles hoy. Nuevos detectores de ondas gravitacionales, tales como la antena espacial de interferómetro láser LISA, de la NASA, fueron diseñados para detectar estas ondas directamente y abrir una nueva ventana a los fenómenos astrofísicos y físicos que no pueden ser estudiados de otras formas.

Los científicos necesitan saber cómo se formaron los agujeros negros supermasivos en el Universo primigenio y cómo se distribuyen en el espacio hoy para interpretar los resultados de los experimentos. Las nuevas simulaciones por computadora deberían proporcionar una pista.

Los coautores del artículo de Nature incluyen a Lucio Mayer y Simone Callegari del Instituto de Física Teórica en la Universidad de Zurich y Andrés Escala, anteriormente de la Universidad de Stanford y ahora en la Universidad de Chile.

Fuente: El Mensajero de los Astros. Aportado por Eduardo J. Carletti

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