Resuelto el mistertio del origen de los agujeros negros supermasivos

En contra de lo que se creía, no se formaron a partir del colapso de estrellas, sino de forma directa poco tiempo después del Big Bang

Los agujeros negros supermasivos, esos que hoy podemos observar en los centros de la mayoría de las galaxias, son algo muy difícil de explicar. Y es que hasta ahora los investigadores que lo han intentado, y que lo siguen intentando, se han encontrado con una serie de dificultades prácticamente insalvables a la hora de escribir sus historias.

Estrellas supermasivas que al final de sus vidas (se creía) se convertían en agujeros negros

¿De dónde vienen estos gigantescos y oscuros objetos, que pueden llegar a tener hasta miles de millones de veces la masa del Sol? ¿Cómo llegaron a formarse? ¿Y cómo, a pesar de su extrañeza, pueden haber llegado a ser tan numerosos? Ahora, un equipo de astrofísicos de la Western University, en Canadá, parece haber encontrado una respuesta a este misterio cósmico. Los resultados de su trabajo se acaban de publicar en la revista The Astrophysical Journal Letters.

Por lo que sabemos, un agujero negro se forma tras el colapso gravitatorio de una estrella de por lo menos cinco masas solares que, al quedarse sin combustible, es aplastada por su propia gravedad. Cuando la estrella ha consumido todo su combustible nuclear (por ejemplo hidrógeno o helio), su horno se apaga. Y una estrella no es más que el delicado equilibrio entre dos fuerzas: la que se ejerce «de dentro hacia fuera» gracias a la combustión nuclear; y la que ejerce «de fuera hacia dentro» la implacable gravedad.

El delicado equilibrio de las estrellas

Al desaparecer ese equilibrio, nada se opone a la gravedad, que comprime a la estrella hasta convertirla en un amasijo de materia superdensa y en la que ni siquiera queda ya espacio entre los átomos. Y aún más allá, la gravedad aplasta también ese núcleo endurecido hasta convertirlo en algo ralmente pequeño, pero de una densidad inconcebible. Llega un momento en que la materia comprimida no resiste más y explota con una violencia inusitada: una supernova. Las capas externas de la estrella moribunda salen disparadas al espacio en una explosión de enorme energía, y en el centro queda un punto de infinita densidad, de tamaño microscópico pero con la mayor parte de la masa de la estrella original en su interior. Se ha formado un agujero negro.

Ahora bien, eso vale para agujeros negros de «tamaño estelar», y sabemos que nuestra propia galaxia, y el Universo entero, está lleno de ellos. Otra cosa muy diferente son los agujeros negros supermasivos, muchísimo más grandes y pesados. No resulta raro, por ejemplo, encontrarlos del tamaño de todo nuestro Sistema Solar, y con una masa equivalente a la de varios miles de millones de soles.

¿De dónde vienen los monstruos supermasivos?

Según la teoría más aceptada, estos gigantes oscuros nacieron de la misma forma, tras el colapso de estrellas, y fueron creciendo a medida que iban devorando más y más materia, hasta convertirse en los auténticos «monstruos» que son en la actualidad. Lo malo es que para que un agujero negro «normal» crezca hasta convertirse en uno supermasivo, se necesita una enorme cantidad de tiempo. Y resulta que los científicos han encontrado agujeros negros supermasivos ya perfectamente formados cuando el Universo apenas tenía unos pocos cientos de millones de años. Tiempo a todas luces insuficiente para permitir un crecimiento tan desproporcionado.

En 2017, por ejemplo, los astrónomos encontraron un agujero negro de 800 millones de masas solares que se había formado «solo» 690 millones de años tras el Big Bang. Es decir, que nació, casi, en los primeros días de existencia del propio Universo, mucho antes del tiempo que la teoría considera necesario para alcanzar ese tamaño.

¿Cómo crecieron tan rápido?

Según Shantanu Basu y Arpan Das, del Departamento de Física y Astronomía de la Western University, esos agujeros negros se formaron de forma «directa», es decir, sin necesidad de surgir de entre las cenizas de una estrella muerta. Los dos investigadores, en efecto, han desarrollado una explicación alternativa para la distribución observada de masas y luminosidades de agujeros negros supermasivos. Algo que no existía hasta ahora.

El nuevo modelo se basa en una suposición muy simple: los agujeros negros supermasivos se forman muy rápidamente, en periodos muy, muy cortos de tiempo y, de repente, se detienen.

«Se trata de una evidencia observacional de que los agujeros negros se originan a partir de colapsos directos de materia, y no de restos estelares», asegura Shantanu Basu.

Basu y Das desarrollaron un nuevo modelo matemático calculando la función de masa de los agujeros negros supermasivos que se forman durante un periodo de tiempo concreto y experimentan un rápido crecimiento exponencial en sus masas. Según los investigadores, dicho crecimiento puede ser regulado por el llamado «límite de Eddington», que se establece por medio de un equilibrio entre las fuerzas de radiación y de gravedad.

«Los agujeros negros supermasivos -explica Basu- solo dispusieron de un periodo de tiempo muy corto para crecer rápido y luego, en algún momento, debido a toda la radiación del Universo creada por otros agujeros negros y estrellas, su producción se detuvo. Ese es el escenario del colapso directo».

Este nuevo modelo permite masas iniciales muy grandes, muy superiores a las que alcanza un agujero negro surgido de la muerte de una estrella, y tiene un gran potencial para explicar las observaciones de los astrónomos. El fenómeno, sin embargo, solo se produjo durante los primeros tiempos de existencia del Universo, antes de que éste se llenara completamente de radiación. La explicación pone así punto y final a un misterio que ha tardado décadas en resolverse.

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