Los agujeros negros supermasivos que se formaron en los albores del universo plantean un gran problema para los científicos; técnicamente, no deberían existir.
Los agujeros negros generalmente se forman cuando una estrella se colapsa sobre sí misma y explota como una supernova. Los más grandes de estos, conocidos como agujeros negros supermasivos, tienen una masa equivalente a más de un millón de soles. Los astrónomos no saben exactamente cómo se originan estos monstruosos agujeros negros: una teoría es que tragan enormes cantidades de materia durante miles de millones de años, mientras que otra es que se forman a partir de un grupo de agujeros negros que finalmente se funden en uno.
Sin embargo, ambos requieren tiempo. Y esto es algo que los agujeros negros supermasivos del universo temprano no tenían. Hay evidencia que sugiere que los agujeros negros supermasivos estuvieron presentes solo 800 millones de años después del Big Bang, lo que es solo un abrir y cerrar de ojos cosmológicamente hablando.
Una tercera forma que se ha propuesto es un agujero negro de «colapso directo», que mitiga la necesidad de una estrella. Esto dice que si una nube de gas es lo suficientemente masiva puede colapsar bajo su propia gravedad para formar un agujero negro directamente.
En un estudio publicado por Nature, Kirk Barrow, de la Universidad de Stanford, y sus colegas del Instituto Tecnológico de Georgia y el Laboratorio Nacional Los Álamos, Nuevo México, descubrieron que los agujeros negros de colapso directo pueden explicar los agujeros negros supermasivos, y lo que es más, deberían poder probar su teoría en un futuro muy cercano.
«Existe un límite en la rapidez con la que algo como un agujero negro puede crecer», dijo Barrow. «Alguna fracción de materia que cae en un agujero negro se convierte en luz que se irradia y empuja hacia atrás contra el gas en caída. Una teoría es que, en las condiciones adecuadas, se puede formar un agujero negro masivo directamente desde un gran pozo que se colapsa del gas primordial y así alcanzar una masa superior más rápidamente».
En el estudio, los investigadores realizaron una simulación de un agujero negro de colapso directo. Miraron el agujero negro y su galaxia circundante, junto con la radiación de la galaxia y cómo podría aparecer a través de un telescopio.
Habían estado buscando una mejor comprensión de la radiación y el efecto que los rayos X tendrían en el crecimiento de los agujeros negros supermasivos. «Para nuestra sorpresa, descubrimos una reacción en cadena en la que los rayos X condujeron a un estallido de formación de estrellas, que más tarde condujo a una ola de supernovas», dijo Barrow. «Este fue un efecto que nadie había predicho o incluso esperado antes, pero en retrospectiva, parecía tener perfecto sentido en el contexto de lo que sabíamos sobre la formación de estrellas en el universo temprano».
Luego, los científicos desarrollaron una forma de probar su simulación. Ejecutó otra simulación que mostraba la emisión, absorción y dispersión de la luz hasta un telescopio a 13 mil millones de años luz de distancia, lo que les permitió establecer si esta galaxia simulada existiera, sería visible.
«Nos enfocamos en hacer diagnósticos para el próximo Telescopio Espacial James Webb», dijo Barrow. «Nos complació descubrir que el Telescopio Espacial James Webb no solo podría detectar, sino también discernir nuestro escenario simulado de otras galaxias en el Universo temprano si nuestros diagnósticos resultan ser correctos. Una observación de Telescopio Espacial James Webb sería seguida por otros observatorios para restringir y caracterizar por completo una galaxia masiva de alojamiento de agujeros negros. Eso sería un gran descubrimiento».
Dijo que una de las mayores limitaciones es que si la galaxia existe, sería más pequeña que un píxel en los detectores del Telescopio Espacial James Webb; necesitaría una gran cantidad de filtros para distinguirla de otros objetos. Además, el equipo desearía idealmente simular todo el vecindario cósmico y hacer que aparezca el agujero negro por sí mismo. «[Pero] si nuestras simulaciones resultan ser correctas, esto cambiaría la forma en que los astrofísicos piensan sobre la formación de agujeros negros y la evolución física de las galaxias que los rodean», dijo Barrow.