Científicos encuentran el secreto del nacimiento de los primeros agujeros negros del universo

Un agujero negro supermasivo tarda mucho tiempo en crecer, aunque coma con voracidad. Por eso, saber cómo se formaron agujeros negros supermasivos miles de millones de veces más pesados que el Sol en los primeros mil millones de años del universo ha sido un rompecabezas permanente.

Pero el nuevo trabajo de un equipo internacional de cosmólogos sugiere una respuesta: flujos de materia fría, formados por una misteriosa materia oscura, que alimentan a los agujeros negros nacidos de la muerte de gigantescas estrellas primordiales.

“Hay una receta para crear un agujero negro de 100.000 masas solares al nacer, y es una estrella primordial de 100.000 masas solares”, señaló Daniel Whalen, cosmólogo de la Universidad de Portsmouth, a The Independent. “En el universo actual, los únicos agujeros negros que hemos descubierto, todos se formaron a partir del colapso de estrellas masivas. Así que eso significa que la masa mínima para un agujero negro probablemente tiene que ser de al menos tres o cuatro masas solares”.

Pero el abismo es enorme entre una estrella de 4 masas solares y una estrella de 100.000 masas solares, una estrella “hipergigante” que, si estuviera centrada en el Sol, se extendería hasta la órbita de Plutón. En los últimos 20 años, según el Dr. Whalen, gran parte de la investigación sobre los cuásares del universo primitivo -centros muy brillantes de galaxias alimentados por agujeros negros supermasivos- se ha centrado en el conjunto de condiciones finamente ajustadas que permitirían la formación de una estrella primordial tan masiva.

Pero en un nuevo artículo publicado en la revista Nature, el Dr. Whalen y sus colegas utilizan un modelo de evolución cósmica realizado por una supercomputadora para demostrar que, en lugar de desarrollarse a partir de un conjunto de circunstancias muy especiales, las estrellas primordiales hipergigantes se forman y colapsan en las “semillas” de los cuásares de forma bastante natural a partir de un conjunto de condiciones iniciales que, aunque siguen siendo relativamente raras, son mucho menos delicadas. Y todo comienza con la materia oscura.

“Si se observa el contenido total, llamémoslo contenido energético de la masa total del universo, el 3 por ciento está en la forma de materia que entendemos”, explicó el Dr. Whalen - materia hecha de protones y neutrones y electrones, hidrógeno, helio y demás. Pero “el 24 por ciento está en forma de materia oscura, y sabemos que está ahí por el movimiento de las galaxias y los cúmulos de galaxias, pero no sabemos qué es”.

Es decir, la materia oscura solo parece interactuar con la materia normal a través de la gravedad, y la gravedad de la materia oscura es la que ha creado la estructura a mayor escala del universo: la red cósmica. Según el Dr. Whalen, en los inicios del universo, grandes extensiones de materia oscura se colapsaron en largos filamentos por su propio peso y arrastraron con ellos a la materia normal, formando una red de filamentos y sus intersecciones.

Las galaxias y las estrellas acabarían formándose dentro de los filamentos y, en particular, en las intersecciones ricas en materia de los filamentos.

“Los llamamos halos, halos cosmológicos”, subrayó el Dr. Whalen sobre las intersecciones, “y creemos que las estrellas primordiales se formaron primero allí”.

Las ideas anteriores sostenían que para formar una estrella primordial lo suficientemente grande como para dar a luz a un agujero negro supermasivo y crear un cuásar en los primeros mil millones de años del universo, un halo tendría que crecer hasta alcanzar proporciones masivas en condiciones especiales: que no hubiera otras estrellas demasiado cerca, que se formara hidrógeno molecular para mantener el gas genial y que los flujos supersónicos de gas mantuvieran el halo turbulento. Mientras el halo sea lo suficientemente genial y turbulento, no podrá cohesionarse lo suficiente como para encenderse como estrella, lo que prolonga su fase de crecimiento hasta que finalmente nazca con un tamaño tremendo.

Y una vez que una estrella masiva se enciende, vive su vida, se agota y colapsa en un agujero negro, debe tener acceso a grandes cantidades de gas para crecer como supermasiva, indicó el Dr. Whalen, “porque la forma en que el agujero negro crece es tragando gas”.

Pero en lugar de requerir unas condiciones muy ajustadas para la formación de una estrella masiva y, finalmente, de un agujero negro masivo, la simulación del Dr. Whalen y sus colegas sugiere que el gas frío que fluye hacia un halo desde los filamentos definidos por la materia oscura de la red cósmica podría sustituir a la multitud de factores necesarios para la formación estelar primordial en los modelos más antiguos.

“Si los flujos de acreción fríos están alimentando el crecimiento de estos halos, deben estar golpeando esos halos”, dijo el Dr. Whalen, “golpeándolos con tanto gas tan rápidamente, que la turbulencia podría estar impidiendo que el gas colapse y forme una estrella primordial”.

Cuando simularon un halo de este tipo alimentado por flujos de acreción fríos, los investigadores vieron cómo se formaban dos estrellas primordiales masivas, una tan masiva como 31.000 soles, y la otra tan masiva como 40.000 soles. Las semillas de los agujeros negros supermasivos.

“Fue maravillosamente sencillo. El problema de 20 años desapareció de la noche a la mañana”, señaló el Dr. Whalen. Siempre que haya flujos fríos que bombeen gas a un halo en la red cósmica, “habrá tanta turbulencia que se producirá la formación de estrellas supermasivas y la formación de semillas masivas que produzcan una semilla masiva de cuásar”.

Es un hallazgo que coincide con el número de cuásares observados hasta ahora en el universo primitivo, añadió, señalando que los grandes halos en esa época temprana son raros, y también los cuásares.

Pero el nuevo trabajo es una simulación, y a los científicos les gustaría observar realmente la formación de un cuásar del universo temprano en la naturaleza. Los nuevos instrumentos, como el telescopio espacial James Webb, pueden hacer que esto sea una realidad relativamente pronto.

“El Webb será poderoso para ver uno”, aseveró el Dr. Whalen, tal vez para ver el nacimiento de los agujeros negros a uno o dos millones de años del Big Bang.