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1 de Abril de 2018
Cosmología

Los primeros agujeros negros supermasivos

Varias pruebas indican que estos colosos cósmicos comenzaron a poblar el universo mucho antes de lo que se creía posible. ¿Cómo se formaron?

MARK ROSS

En síntesis

Los agujeros negros supermasivos más antiguos que se conocen ya poblaban el cosmos unos cientos de millones de años después de la gran explosión. Sin embargo, las teorías al uso predicen que un objeto tan masivo habría necesitado mucho más tiempo para formarse.

En los últimos años, varios trabajos han propuesto un nuevo mecanismo para explicar la formación de los primeros agujeros negros. En vez de nacer a partir de la muerte de estrellas masivas, se habrían generado a partir del colapso directo de grandes nubes de gas.

En caso de existir, los agujeros negros formados por colapso directo deberían poder observarse con el telescopio espacial James Webb, cuyo lanzamiento está previsto para 2019. El hallazgo ayudaría a entender mucho mejor la física de estos enigmáticos astros.

Imagine el universo en su infancia. Hoy creemos que el espacio y el tiempo se originaron en la gran explosión. A partir de ese inicio caliente y denso, el cosmos se expandió y se enfrió. Sin embargo, las estrellas y las galaxias aún tardarían un tiempo en comenzar a motear el cielo. Los primeros átomos neutros se formaron unos 380.000 años después de la gran explosión, momento en que el universo se llenó de hidrógeno gaseoso. Unos cientos de millones de años más tarde, ese gas se aglomeró y dio lugar a las primeras estrellas. Estas se formaron en cúmulos que después se agruparon en galaxias, las primeras de las cuales aparecieron unos 400 millones de años después de la gran explosión. Pero, para nuestra sorpresa, hemos descubierto que hacia la misma época comenzaron a surgir otros objetos astronómicos: los cuásares.

Los cuásares son extremadamente brillantes. La luz que emiten es producida por una ingente cantidad de gas que se precipita hacia un agujero negro supermasivo, lo que hace que sean visibles desde los confines del espacio. Los más distantes son también los más antiguos, y los primeros de ellos constituyen un verdadero misterio. Para resultar visibles desde distancias tan vastas, tales cuásares han de estar alimentados por agujeros negros con masas del orden de unos mil millones de masas solares. El problema reside en que, según las teorías al uso, un agujero negro tan masivo necesitaría unos mil millones de años para formarse. En 2001, sin embargo, el Sondeo Digital del Cielo Sloan comenzó a encontrar cuásares que databan de tiempos más remotos. El más antiguo y distante que conocemos, anunciado el pasado diciembre, ya existía 690 millones de años después de la gran explosión, mucho antes de lo que creíamos posible.

Las teorías tradicionales postulan que los primeros agujeros negros se formaron cuando algunas de las primeras estrellas explotaron en forma de supernova. No obstante, la masa de esos cadáveres estelares se estima en unos pocos cientos de masas solares, y es difícil imaginar un escenario en el que los agujeros negros supermasivos presentes en los cuásares más antiguos pudieran formarse tan rápido a partir de «semillas» tan pequeñas.

Hace una década, varios astrónomos y la firmante de este artículo propusimos un mecanismo que explicaba la formación de los primeros cuásares sin recurrir al nacimiento y la muerte de estrellas. Según esta hipótesis, las semillas que más tarde darían lugar a los primeros cuásares se habrían formado directamente a partir del colapso de grandes nubes de gas. En un entorno propicio, estos agujeros negros habrían nacido con masas de entre 104 y 105 masas solares unos pocos cientos de millones de años después de la gran explosión. Con esa ventaja inicial, sí podrían haber alcanzado las 109 o 1010 masas solares lo suficientemente rápido como para explicar los primeros cuásares.

La pregunta es si dicho proceso ocurrió realmente. Por fortuna, el lanzamiento del telescopio espacial James Webb (JWST), previsto para 2019, debería sacarnos de dudas.

Las primeras semillas
Los agujeros negros son objetos enigmáticos: regiones donde la gravedad ha deformado el espaciotiempo hasta tal punto que ni siquiera la luz puede escapar. Hasta el descubrimiento de los cuásares, los cuales nos permiten ver la luz emitida por la materia que cae hacia un agujero negro, carecíamos de pruebas de su existencia, por lo que no sabíamos si se trataba de objetos reales o de una simple curiosidad matemática derivada de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein.

Se cree que la mayoría de los agujeros negros se forman cuando las estrellas muy masivas —aquellas con masas superiores a unas diez veces la del Sol— agotan su combustible nuclear y comienzan a enfriarse y, por tanto, a contraerse. En cierto momento, la gravedad se impone y la estrella colapsa, lo que resulta en una catastrófica explosión que deja tras de sí un agujero negro.

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