El lento proceso de acreción no puede explicar el enigma de la existencia de agujeros negros supermasivos en el universo temprano; agujeros negros que se formaron a menos de mil millones de años después del Big Bang. Un estudio de simulación indica que estrellas supergigantes que nacieron al inicio de nuestro universo habrían colapsado de una extraña manera

Existe una variedad de tamaños de agujeros negros, objetos masivos en el espacio con fuerzas gravitacionales tan fuertes que ni siquiera la luz puede escapar de ellos. En el extremo más pequeño de la escala están los agujeros negros de masa estelar que se forman durante la muerte de las estrellas. En el extremo de mayor tamaño están los agujeros negros supermasivos, con masas de hasta mil millones de veces la de nuestro Sol. Durante miles de millones de años, los pequeños agujeros negros pueden crecer lentamente hasta la variedad supermasiva tomando la masa de su entorno y también por la fusión con otros agujeros negros. Pero este lento proceso no puede explicar el enigma de la existencia de agujeros negros supermasivos en el universo temprano; agujeros negros que se formaron a menos de mil millones de años después del Big Bang.

Ahora los nuevos descubrimientos realizados por investigadores del Institute of Technology (Caltech) de California pueden ayudar a probar un modelo que resuelve este problema.

Ciertos modelos de crecimiento de agujeros negros supermasivos se basan en la presencia de agujeros negros «semilla» que resultaron de la muerte de estrellas muy tempranas. Estos agujeros negros semillas ganan masa y aumentan de tamaño recogiendo los materiales a su alrededor —un proceso conocido como acreción— o mediante la fusión con otros agujeros negros. «Pero en estos modelos anteriores simplemente no había tiempo suficiente para que ningún agujero negro supermasivo alcanzase su escala tan pronto luego del nacimiento del universo», dice Christian Reisswig, con un postdoctorado en Astrofísica en Caltech y autor principal del estudio. «El crecimiento de los agujeros negros supermasivos en las escalas del universo joven sólo parece posible si la masa ‘semilla’ del objeto colapsado ya era lo suficientemente grande», dice.

Para investigar los orígenes de los agujeros negros supermasivos jóvenes, Reisswig, en colaboración con Christian Ott, profesor adjunto de astrofísica teórica, y sus colegas, se orientó a un modelo con la participación de estrellas supermasivas. Estas muy exóticas gigantes estrellas, según las hipótesis, habrían existido por un breve tiempo en el universo temprano. A diferencia de las estrellas ordinarias, las estrellas supermasivas se estabilizan mayormente enfrentando la gravedad por su propia radiación de fotones. En una estrella muy masiva, la radiación de fotones —el flujo hacia el exterior de los fotones que se genera debido a que la estrella tiene muy altas temperaturas interiores— empuja el gas de la estrella hacia el exterior en oposición a la fuerza de la gravedad, que tira del gas de regreso hacia el interior. Cuando los dos fuerzas son iguales, este equilibrio se llama equilibrio hidrostático.

Durante su vida, una estrella supermasiva se enfría lentamente debido a la pérdida de energía causada por la emisión de radiación de fotones. A medida que la estrella se enfría, se vuelve más compacta y su densidad central aumenta lentamente. Este proceso dura un par de millones de años hasta que la estrella alcanza compacidad suficiente para que la inestabilidad gravitacional se establezca y para que la estrella inicie el colapso gravitacional, dice Reisswig.

Estudios anteriores predijeron que cuando colapsan las estrellas supermasivas, mantienen una forma esférica que posiblemente es aplastada debido a la rotación rápida. Esta forma se llama una configuración simétrica al eje. Incorporando el hecho de que las estrellas que giran muy rápidamente son propensas a pequeñas perturbaciones, Reisswig y sus colegas predijeron que estas perturbaciones pueden causar que las estrellas se desvíen hacia formas no axisimétricas durante el colapso. Estas perturbaciones, diminutas al principio, crecerían rápidamente, causando finalmente que el gas en el interior de la estrella en colapso se agrupe para formar sectores de alta densidad.

Estos sectores orbitan el centro de la estrella y se vuelven cada vez más densos, ya que recogen materia durante el colapso, y también aumentan su temperatura. Y luego, dice Reisswig, «se dispara un efecto interesante». A temperaturas suficientemente altas, habría suficiente energía disponible para unir electrones y sus antipartículas, los positrones, en lo que se conoce como pares electrón-positrón. La creación de pares electrón-positrón causaría una pérdida de presión, que acelera aún más el colapso, y como resultado, finalmente los dos fragmentos en órbita llegan a ser tan densos que se podría formar un agujero negro en cada grupo. El par de agujeros negros podría entonces girar en espiral uno alrededor del otro antes de fundirse para convertirse en un agujero negro de gran tamaño.

«Este es un nuevo descubrimiento», dice Reisswig. «Nadie ha predicho nunca que una sola estrella en colapso podría producir un par de agujeros negros que se fusionan.»

Reisswig y sus colegas utilizaron supercomputadoras para simular una estrella supermasiva que se encuentra al borde del colapso. La simulación se visualizó con un video realizado mediante la combinación de millones de puntos que representan datos numéricos sobre la densidad, campos gravitacionales y otras propiedades de los gases que componen el colapso de las estrellas.

Aunque el estudio incluyó simulaciones por computadora, y por lo tanto es meramente teórica, en la práctica, la formación y fusión de pares de agujeros negros pueden producir una tremendamente poderosa radiación gravitacional —ondulaciones en el tejido del espacio y el tiempo, viajando a la velocidad de la luz— que es probable que sea detectable en el borde de nuestro universo, dice Reisswig. Observatorios basados en tierra como el Interferómetro de Ondas Gravitatorias Observatorio Láser (LIGO), manejado en común por Caltech, están en busca de signos de la radiación gravitacional que se predijo por primera vez por Albert Einstein en su teoría general de la relatividad. Serán necesarias futuros observatorios de ondas gravitatorias en el espacio, dice Reisswig, para detectar los tipos de ondas gravitacionales que confirmen estos hallazgos recientes.

Ott dice que estos resultados tienen importantes implicaciones para la cosmología. «La señal emitida de ondas gravitatorias y su potencial detección informarán a los investigadores sobre el proceso de formación de los primeros agujeros negros supermasivos en el universo aún muy joven, y pueden solucionar algunas importantes preguntas —y plantear nuevas— sobre la historia de nuestro universo», dice.

Estos hallazgos fueron publicados en la revista Physical Review Letters de la semana del 11 de octubre en un artículo titulado «Formation and Coalescence of Cosmological Supermassive-Black-Hole Binaries in Supermassive-Star Collapse». Las coautores de Caltech en el estudio son Ernazar Abdikamalov, Roland Haas y Philipp Mösta. Otro coautor del estudio, Erik Schnetter, pertenece al Instituto Perimeter de Física Teórica en Canadá. El trabajo fue financiado por la National Science Foundation, la NASA, la Fundación Alfred P. Sloan y la Fundación Sherman Fairchild.

Fuente: Science Daily. Aportado por Eduardo J. Carletti

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