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Astrofísica

El origen primordial

Galaxias situadas a 13 mil millones de años luz de la Tierra albergan los primeros agujeros negros del Universo, con masas hasta 1.000 millones de veces mayores que la el Sol

Representación artística de cómo sería la galaxia CR7, donde habría un agujero negro primordial

ESO/ M. Kornmesser

Las manchas amorfas que el astrofísico Oli Dors, de la Universidad de Vale do Paraíba (Univap), con sede en la ciudad de São José dos Campos, interior del estado de São Paulo, se ha dedicado a analizar desde el año pasado, son en realidad las mejores imágenes que los telescopios más poderosos de la actualidad logran obtener de algunas de las primeras galaxias del Universo. La luz de esas formaciones tardó 13 mil millones de años en llegar a la Tierra. Las imágenes borrosas son bultos de cómo eran las galaxias 700 millones de años después de la explosión que habría originado el Universo, el Big Bang. “Son imágenes de baja calidad pues, a pesar de ser muy luminosas, esas galaxias se encuentran demasiado lejos”, lamenta Dors.

De todos modos, fue por medio del análisis de ese tipo de material, obtenido por varios telescopios espaciales y situados en la Tierra, que él, junto con el astrofísico Bhaskar Agarwal, de la Universidad de Heidelberg, en Alemania, y seis colegas más, identificaron tres galaxias distantes con una particularidad: parecen albergar agujeros negros primordiales, con masa entre cientos de miles y 1.000 millones de veces mayor que la del Sol, algo no previsto por la teoría clásica sobre dichos objetos celestes. Entre esas galaxias se encuentra una de las más lejanas y brillantes que ya se descubrió: Cosmos Redshift 7 (CR7), que se ubica en la constelación de Sextans y se formó hace 12.900 millones de años. Su nombre es un homenaje al astro del fútbol conocido por la misma sigla, el jugador portugués Cristiano Ronaldo.

En lugar de formarse por la implosión final de estrellas, como reza la teoría clásica sobre esos cuerpos, los agujeros negros primordiales habrían surgido directamente del colapso (sobre su propio peso) de una acumulación de inmensas nubes de gas del naciente Universo. En este escenario alternativo, no habría sido necesario el surgimiento de las primeras estrellas para que se formaran los primeros agujeros negros. “Los demás agujeros negros descenderían, de alguna forma, de esos primordiales”, comenta Dors. El trabajo del equipo sobre las galaxias generó un artículo científico, publicado el 26 de julio de 2018 en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

La alianza de Dors y Agarwal empezó en julio del año pasado, cuando el brasileño pasó una temporada en Heidelberg. Argawal viene comparando, desde hace algunos años, las previsiones de la teoría de los agujeros negros por colapso directo –como son llamados– con datos de observaciones de galaxias distantes de un tipo muy especial. Son galaxias que emiten cantidades enormes de una radiación ultravioleta, en una frecuencia de onda específica, muy conocida por los astrónomos. La fuente emisora de esa radiación es el gas hidrógeno ionizado del medio interestelar, calentado en dos situaciones extremas: en la vecindad de muchas estrellas jóvenes o cerca de la materia incandescente a punto de ser tragada por un agujero negro supermasivo.

El astrónomo de la Univap ya había desarrollado con éxito un método para analizar el espectro de emisión de galaxias cercanas a la Vía Láctea y distinguir si la fuente predominante de la radiación ultravioleta era el calentamiento del hidrógeno por estrellas masivas o por un agujero negro supermasivo. El dúo de científicos adaptó entonces esa técnica para usarla en el análisis de galaxias distantes, que podrían presentar señales de la presencia de un agujero negro de colapso directo. De las decenas de galaxias distantes ya observadas por grandes telescopios, solo cinco habían sido observadas con detalle y precisión suficiente para ser analizadas por tal método. De las cinco, tres presentaron indicios de que albergan agujeros negros supermasivos formados por colapso directo. “La formación de agujeros negros supermasivos cuando el Universo era joven es un misterio”, opina João Steiner, astrofísico de la Universidad de São Paulo (USP), que no participó del estudio.

Steiner se refiere al conflicto entre los resultados encontrados por estudios recientes, como los obtenidos por Dors y Agarwal, y la idea más aceptada sobre cómo se formaron los agujeros negros supermasivos. Hasta recientemente, la mayoría de los astrofísicos estaba de acuerdo con que todos los agujeros negros del Universo nacían de la misma manera: por el colapso de estrellas de masa superior a 20 veces la del Sol. Al agotar su combustible al final de sus vidas, esas estelas implosionan sobre el propio peso, creando una región en el espacio con fuerza gravitacional tan intensa que nada logra escapar de su superficie, ni la luz: un agujero negro. Surgiendo con una masa de valor cercano al de la estrella que le dio origen, un agujero negro puede engordar tragando gas del medio interestelar o incluso estrellas enteras que encuentre en su camino. También puede aumentar su masa al colidir y fundirse con otros agujeros negros.

La implosión de estrellas
De acuerdo con ese antiguo paradigma, los primeros agujeros negros del Universo deberían haberse creado a partir de la implosión final de las estrellas primordiales, formadas del gas de átomos de hidrógeno y helio que constituía todo el Universo alrededor de 400 mil años después del Big Bang. Se llegó a especular que esas primeras estrellas podrían ser gigantes con mil masas solares. Pero observaciones y cálculos recientes indican que tendrían, como máximo, 100 masas solares. Simulaciones también sugieren que, aunque se pudiera alimentar continuamente con gas, ningún agujero negro formado a partir de las primeras estrellas lograría alcanzar una masa de cientos de miles de soles en menos de 1.000 millones de años. “Los agujeros negros que se formaron por colapso de estrellas individuales no tuvieron tiempo de volverse supermasivos”, explica Steiner.

Ante ese problema, los astrofísicos Volker Bromm, de la Universidad de Texas, en Austin, y Avi Loeb, de la Universidad Harvard, ambas en Estados Unidos, propusieron en 2003 una teoría alternativa para explicar el surgimiento de los agujeros negros primordiales supermasivos. Según esta teoría, más o menos en la misma época que las primeras estrellas se estarían formando en algunas regiones del Universo, en otras habría condiciones especiales para que inmensas nubes de gas primordial se acumularan y colapsaran sobre el propio peso, formado agujeros negros gigantes directamente. Los llamados agujeros negros por colapso directo ya nacerían con masas entre 100 mil y un millón de soles, una particularidad que podría explicar las mediaciones realizadas ahora en algunas galaxias del universo enseguida después del Big Bang.

“El nuevo estudio sobre agujeros negros primordiales ayuda a establecer conexiones entre la teoría y las observaciones”, sugiere Aaron Smith, astrofísico del Instituto de Tecnología de Massachusetts, Estados Unidos. En 2016, Smith, Volker y Loeb afirmaron que habían encontrado evidencias de agujeros negros de colapso directo en la galaxia CR7. “Tanto nuestro resultado como el de ellos deben considerarse como evidencia basada en datos limitados”, pondera. El descubridor de CR7, el astrofísico portugués David Sobral, de la Universidad de Lancaster, en el Reino Unido, conoce bien la dificultad de observar esas galaxias distantes. Las primeras imágenes de CR7 obtenidas por el telescopio terrestre VLT, en 2015, sugerían que la fuente de la emisión de ultravioleta de la galaxia eran tres grandes aglomerados de estrellas primordiales. La hipótesis se descartó, empero, por observaciones subsiguientes realizadas en 2017 con el telescopio espacial Hubble y con el radiotelescopio Alma, en Chile. Ahora, como el equipo de Dors y Agarwal, Sobral también sostiene que CR7 puede contener un agujero negro supermasivo. “Pero no es posible saberlo con seguridad, en parte porque las firmas espectrales observadas de ese tipo de objeto son bastante débiles” explica Sobral.

Proyecto
Chemical abundance determinations is SFr and AGN (nº 16/50488-8); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Acuerdo Conicet; Investigador responsable Oli Dors (Univap); Inversión R$ 19.930,00.

Artículo científico
DORS, O. L. et al. Nature and chemical abundances of a sample of Lyman-α emitter objects at high redshift. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.  26 jun. 2018.

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