Una nueva especie de agujero negro, que fueron teoría, ahora firmemente a la vista de los observadores

Los astrónomos Aaron Smith y Volker Bromm de la Universidad de Texas en Austin, trabajando con Avi Loeb del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, han descubierto evidencias de un inusual tipo de agujero negro nacido muy temprano en el universo. Ellos mostraron que una fuente inusual recientemente descubierta de radiación intensa es probablemente impulsada por un «agujero negro colapsado directamente», un tipo de objeto predicho por los teóricos hace más de una década.

«Es un milagro cósmico», dijo Bromm, refiriéndose al conjunto preciso de las condiciones actuales de quinientos millones de años después del Big Bang que permitió que estos gigantes emergieran.

Estos agujeros negros de colapso directo pueden ser la solución a un enigma de larga data en la astronomía: ¿Cómo se formaron los agujeros negros supermasivos en las primeras épocas del universo? Hay una fuerte evidencia de su existencia, ya que son necesarios para alimentar los quásares altamente luminosos detectados en el universo joven. Sin embargo, hay varios problemas que impiden su formación, y el proceso de crecimiento convencional era demasiado lento.

Los astrónomos creen que saben cómo los agujeros negros supermasivos con un peso de millones de soles crecen en el corazón de la mayoría de las galaxias en nuestra época actual. De que comiencen a partir de una «semilla» de agujero negro, creada cuando una estrella extremadamente masiva colapsa. Este agujero negro semilla tiene la masa de alrededor de 100 soles. Engulle todo el gas de su entorno, convirtiéndose en una masa mucho mayor, y con el tiempo pueden fusionarse con otros agujeros negros de semillas. Todo este proceso se llama acreción.

La teoría de acreción no explica los agujeros negros supermasivos muy distantes, y por lo tanto jóvenes cuásares. Visible para nosotros a pesar de su distancia de miles de millones de años luz, el increíble brillo de un quásar proviene de la materia en espiral ubicada alrededor de un agujero negro supermasivo, con una temperatura de millones de grados, creando chorros que brillan como faros en todo el universo.

Estas primeras galaxias pueden haber contenido la primera generación de estrellas creadas después del Big Bang. Y aunque estas estrellas pueden colapsar para formar agujeros negros, no funcionan como semillas de quásars tempranos. No hay gas que rodee el agujero negro que se alimentan. Y el gas ha pudo ser arrastrado por los vientos de las estrellas calientes recién formadas.

«La formación de estrellas es el enemigo de la formación de agujeros negros masivos en las primeras galaxias”, dijo Bromm. «Las estrellas producen retroalimentación que hacen soplar lejos la nube de gas que las rodea.»

Durante décadas, los astrónomos han llamado a este enigma «el problema de semillas cuasar.»

En 2003, Bromm y Loeb se les ocurrió una idea teórica para obtener una galaxia temprana para formar un agujero negro súper masivo de semillas, mediante la supresión de la entrada de energía de otro modo prohibitivo de la formación de estrellas. Los astrónomos denominaron a este proceso como de «colapso directo.»

Comenzó todo con una nube primordial de hidrógeno y helio, bañada en un mar de radiación ultravioleta. A ello tenemos que sumar que a esta nube había un campo gravitacional de un halo de materia oscura. Normalmente, la nube sería capaz de enfriar el fragmento de la formación de estrellas. Sin embargo, los fotones ultravioleta mantenían el gas caliente, por lo que suprimían cualquier formación de estrellas. Son las condiciones deseadas, casi milagrosas. Colapso sin fragmentación a medida que el gas se vuelve más y más compacto, con lo que con el tiempo se tenían las condiciones para un agujero negro masivo.

Este conjunto de condiciones cósmicas son exquisitamente sensibles al período de tiempo en la historia del universo, este proceso no ocurre en las galaxias de hoy.

En lugar de hacer muchas estrellas normales, estas galaxias forman una sola estrella supermasiva en su centro que termina colapsando a un agujero negro de semillas. De ahí que el gas en estos ambientes se utilice para alimentar a este agujero negro de semillas en lugar de hacer muchas estrellas normales.

Bromm y Loeb publicaron su teoría en 2003. «Pero todo fue teórica en ese entonces,» dijo Bromm.

Smith, Bromm, y Loeb se habían interesado en una galaxia llamada CR7, identificados a partir de una investigación realizada por el Hubble. Hubble espió CR7 a 1 mil millones de años después del Big Bang.

David Sobral de la Universidad de Lisboa había hecho observaciones de seguimiento de CR7 con algunos de los más grandes telescopios terrestres del mundo, incluyendo Keck y el VLT. Ellos descubrieron algunas características muy inusuales en la firma de luz procedente de CR7. Específicamente una cierta línea de hidrógeno en el espectro, conocido como «Lyman-alfa», fue varias veces más brillante de lo esperado. Sorprendentemente, el espectro también mostró una línea de helio inusualmente brillante.

«Lo que está impulsando esta fuente es muy caliente, lo suficientemente caliente como para ionizar el helio», dijo Smith.

Bromm estuvo de acuerdo. «Es necesario que sean temperaturas de más de 100.000 K» para que eso ocurra.

Estas y otras características inusuales en el espectro, tales como la ausencia de líneas detectadas a partir de elementos más pesados que el helio (en la jerga astronómica, «metales»), junto con la distancia a la fuente – y por lo tanto su época cósmica – significaba que podría ser o bien un cúmulo de estrellas primordiales o un agujero negro supermasivo probablemente que se formará por el colapso directa.

Smith corrió simulaciones para ambos escenarios utilizando el superordenador Estampida en el Texas Advanced Computing Center de Texas.

Además de Smith, Bromm, y el trabajo de Loeb, la NASA ha anunciado recientemente el descubrimiento de dos candidatos a agujeros negros de colapso directo basado en observaciones con el Observatorio de rayos X Chandra.

Fuente de la investigación: http://arxiv.org/abs/1602.07639

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