Evolución del Universo

El nacimiento de los superagujeros negros

Un nuevo modelo ayuda a explicar cómo surgieron los colosos que habitan el centro de las galaxias

068-069_Galaxias_194Imagem: Ilustración: Drüm / Infografía: Tiago CirilloPrácticamente toda galaxia alberga, en su corazón, un gigantesco agujero negro, cuya masa es entre millones y miles de millones de veces la del Sol. Ningún objeto astrofísico conocido puede originar una de esas aberraciones, de tal modo que el secreto de su origen se pierde en los albores del Universo. Pero ahora, un nuevo modelo concebido por investigadores brasileños puede ayudar a explicar la aparición y evolución de estas criaturas del zoológico cósmico tan importantes como misteriosas.

No resulta difícil originar un agujero negro cualquiera. Toda estrella con la masa suficiente, al agotar su combustible, hace implosión bajo su propio peso y se convierte en uno. Se trata de un objeto cuya gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar de su superficie.

Ocurre que las estrellas con mayor masa conocidas actualmente poseen alrededor de 150 veces la masa del Sol. Antes de convertirse en un agujero negro, las estrellas de ese tipo –las gigantes azules– explotan como supernovas y pierden buena parte de su masa original. En la mejor de las hipótesis, queda un agujero negro con algunas decenas de masas solares. ¿Cómo llegar a los millones de soles de los agujeros negros del centro de las galaxias?

Según los astrofísicos Eduardo dos Santos Pereira y Oswaldo Miranda, del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe), con sede en São José dos Campos, en el interior paulista, circunstancias especiales del pasado cósmico habrían permitido el surgimiento de estos colosos. En primer lugar, en sus albores, el Universo posibilitaba la formación de estrellas bastante mayores que las actuales. Esas estrellas con masa muy elevada serían perfectamente capaces de generar los embriones de los actuales glotones galácticos, que, en el transcurso de miles de millones de años, aumentarían su masa tragándose objetos que cayeran en su creciente campo gravitatorio.

Este proceso, conocido con el nombre de acreción, ya poseía algún consenso entre los astrofísicos. No obstante, siempre fue utilizado con cierta arbitrariedad. “La cuestión del crecimiento de los agujeros por acreción siempre fue tratada de manera un tanto ad hoc”, dice Miranda. “Los investigadores determinan un índice de acreción de masa y lo ajustan para alcanzar la masa que los agujeros negros deberían tener ahora”.

La gran novedad del trabajo, publicado al final de 2011, consistió en demostrar que es factible explicar el surgimiento de los agujeros negros con masa muy elevada a partir del índice de formación estelar cósmica, un número que describe cuántas estrellas nacen, en promedio, en cada instante de la vida del Universo. “Mucha gente buscaba ese vínculo y nosotros lo encontramos”, afirma Miranda.

Una cuestión intrigante acerca de los superagujeros negros es la relación de éstos con la conformación de las galaxias que habitan. ¿Serían los embriones en torno de los cuales se agrupan las estrellas? ¿O tal vez, la formación de las galaxias induciría el surgimiento del agujero negro en el centro?

Coevolución
Aparentemente, la respuesta reside en la coevolución de dos fenómenos, causada por un tercer elemento: la materia oscura. Halos de este misterioso componente –que conforma la mayor parte de la materia del Universo y sólo interactúa con las partículas convencionales a través de la fuerza gravitatoria– inducirían el surgimiento de estrellas gigantescas en el comienzo del Cosmos y, más tarde, aglomerarían la materia circundante en su interior, aportando los “ladrillos” para la construcción de las galaxias. En ese contexto, los agujeros negros precederían a la formación de las galaxias, aunque ambos evolucionarían bajo el influjo de la materia oscura.

El nuevo trabajo también señala que el crecimiento de los agujeros negros gigantes en el centro de las galaxias pudo ocurrir en forma paulatina durante los 13.500 millones de años que sucedieron al surgimiento de las primeras estrellas. La mayoría de los modelos anteriores sugería la necesidad de un crecimiento hiperacelerado, que no cuadraba demasiado con lo que se sabía de los mecanismos de acreción implicados.

Otra consecuencia importante reside en que, una vez establecida la relación entre el índice de formación estelar y el crecimiento de los agujeros negros gigantes, se hizo posible estimar el comportamiento de esos agujeros negros en un pasado remoto. Dichas previsiones pueden confirmarse cuando entre en operaciones la próxima generación de telescopios, tales como el James Webb, proyectado por la Nasa para reemplazar al Hubble durante la próxima década.

“El modelo explica los observables, siempre y cuando los agujeros negros embrionarios tengan mil masas solares. Ése es el problema”, evalúa João Steiner, astrónomo de la Universidad de São Paulo. Según él, no está claro que el Universo primigenio, incluso con condiciones favorables para el surgimiento de estrellas mayores, pueda haber generado agujeros negros de tal magnitud.

En un pasado remoto pueden haber surgido estrellas mayores como consecuencia de una composición más sencilla del Universo primordial. Inmediatamente después del Big Bang, cuando se habrían originado las primeras estrellas, los únicos elementos químicos disponibles habrían sido el hidrógeno y el helio. Los átomos más pesados –tales como el oxígeno y el carbono, esenciales para la vida– recién aparecieron posteriormente, luego de que los primeros astros comenzaran a explotar en supernovas. Con menos elementos pesados, que fragmentan las nubes de gas, reduciendo la posibilidad de formar objetos con masa elevada, puede que hayan existido estrellas mucho mayores que las actuales.

Pero, ¿serían realmente tan grandes? “Existe la esperanza de que la respuesta se encuentre ahí”, dice Steiner. “Pero quizá sólo sea un deseo de los investigadores. ¿Por qué no se forman estrellas muy masivas, por ejemplo, en la Pequeña Nube de Magallanes? Ahí existe una metalicidad [presencia de elementos pesados] casi primordial”. En opinión de Miranda, ante la falta de ejemplos observables, es necesario apoyarse en construcciones teóricas. “Simulaciones computacionales”, dice, “revelan que las estrellas con 500 mil masas solares serían comunes en el Universo primigenio”