Los agujeros negros supermasivos, como el que se encuentra en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, tardan mucho en formarse. Normalmente, para que se formen, es necesario que una estrella gigante con una masa equivalente a al menos 50 soles se queme (un proceso que puede llevar mil millones de años) y que su núcleo colapse sobre sí mismo.
Aun así, con sólo unas 10 masas solares, el agujero negro resultante está muy lejos del agujero negro de 4 millones de masas solares, Sagitario A*, que se encuentra en nuestra galaxia, la Vía Láctea, o de los agujeros negros supermasivos de mil millones de masas solares que se encuentran en otras galaxias. Estos agujeros negros gigantescos pueden formarse a partir de agujeros negros más pequeños por acreción de gas y estrellas, y por fusiones con otros agujeros negros, que tardan miles de millones de años.
¿Por qué, entonces, el telescopio espacial James Webb descubre agujeros negros supermasivos cerca del comienzo mismo de los tiempos, eones antes de que pudieran formarse? Los astrofísicos de la UCLA tienen una respuesta tan misteriosa como los agujeros negros mismos: la materia oscura impidió que el hidrógeno se enfriara lo suficiente para que la gravedad lo condensara en nubes lo suficientemente grandes y densas como para convertirse en agujeros negros en lugar de estrellas. El hallazgo se publicó en la revista Physical Review Letters.
«Qué sorprendente ha sido encontrar un agujero negro supermasivo con mil millones de masas solares cuando el universo en sí tiene solo 500 millones de años», dijo el autor principal Alexander Kusenko, profesor de física y astronomía en la UCLA. «Es como encontrar un automóvil moderno entre huesos de dinosaurio y preguntarse quién construyó ese automóvil en tiempos prehistóricos».
Algunos astrofísicos han postulado que una gran nube de gas podría colapsar para formar directamente un agujero negro supermasivo, evitando la larga historia de quema, acreción y fusiones estelares. Pero hay un problema: la gravedad, de hecho, unirá una gran nube de gas, pero no la convertirá en una gran nube. En cambio, reúne secciones del gas en pequeños halos que flotan cerca unos de otros pero no forman un agujero negro.
La razón es que la nube de gas se enfría demasiado rápido. Mientras el gas esté caliente, su presión puede contrarrestar la gravedad. Sin embargo, si el gas se enfría, la presión disminuye y la gravedad puede prevalecer en muchas regiones pequeñas, que colapsan en objetos densos antes de que la gravedad tenga la oportunidad de atraer a toda la nube hacia un solo agujero negro.
«La rapidez con la que se enfría el gas tiene mucho que ver con la cantidad de hidrógeno molecular», dijo el primer autor y estudiante de doctorado Yifan Lu. «Los átomos de hidrógeno unidos entre sí en una molécula disipan energía cuando encuentran un átomo de hidrógeno suelto. Las moléculas de hidrógeno se convierten en agentes refrigerantes a medida que absorben energía térmica y la irradian. Las nubes de hidrógeno en el universo primitivo tenían demasiado hidrógeno molecular y el gas se enfrió rápidamente y formó pequeños halos en lugar de grandes nubes».
Lu y el investigador postdoctoral Zachary Picker escribieron un código para calcular todos los procesos posibles de este escenario y descubrieron que la radiación adicional puede calentar el gas y disociar las moléculas de hidrógeno, alterando la forma en que se enfría el gas.
«Si se agrega radiación en un cierto rango de energía, se destruye el hidrógeno molecular y se crean condiciones que evitan la fragmentación de grandes nubes», dijo Lu.
Pero, ¿de dónde proviene la radiación?
Solo una pequeña porción de la materia del universo es del tipo que compone nuestros cuerpos, nuestro planeta, las estrellas y todo lo que podemos observar. La gran mayoría de la materia, detectada por sus efectos gravitacionales sobre los objetos estelares y por la curvatura de los rayos de luz de fuentes distantes, está compuesta de algunas partículas nuevas, que los científicos aún no han identificado.
Por lo tanto, las formas y propiedades de la materia oscura son un misterio que aún está por resolver. Si bien no sabemos qué es la materia oscura, los teóricos de partículas han especulado durante mucho tiempo que podría contener partículas inestables que pueden desintegrarse en fotones, las partículas de luz. La inclusión de dicha materia oscura en las simulaciones proporcionó la radiación necesaria para que el gas permaneciera en una gran nube mientras colapsaba en un agujero negro.
La materia oscura podría estar compuesta de partículas que se desintegran lentamente, o podría estar compuesta de más de una especie de partículas: algunas estables y otras que se desintegran en épocas tempranas. En cualquier caso, el producto de la desintegración podría ser radiación en forma de fotones, que descomponen el hidrógeno molecular y evitan que las nubes de hidrógeno se enfríen demasiado rápido. Incluso una desintegración muy leve de la materia oscura produjo suficiente radiación para evitar el enfriamiento, formando grandes nubes y, finalmente, agujeros negros supermasivos.
«Esta podría ser la solución a por qué los agujeros negros supermasivos se encuentran muy pronto», dijo Picker. «Si eres optimista, también podrías leer esto como evidencia positiva de un tipo de materia oscura. Si estos agujeros negros supermasivos se formaron por el colapso de una nube de gas, tal vez la radiación adicional requerida tendría que provenir de la física desconocida del sector oscuro».
Con información de Physical Review Letters
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