Los agujeros negros supermasivos suelen tardar miles de millones de años en formarse. Pero el Telescopio Espacial James Webb no los encuentra hasta mucho después del Big Bang, antes de que debieran haber sido encontrados durante su formación.
Un agujero negro supermasivo como el que se encuentra en el centro de nuestra Vía Láctea tarda mucho en formarse. Normalmente, un agujero negro necesita que nazca una estrella gigante de al menos 50 masas de nuestro Sol -un proceso que puede tardar mil millones de años- y que el núcleo colapse sobre sí mismo.
Aun así, con sólo 10 masas solares, el agujero negro resultante está muy lejos del agujero negro de 4 millones de masas solares, Sagitario A*, o del agujero negro supermasivo de mil millones de masas solares que se encuentra en nuestra galaxia, la Vía Láctea. Encontrado en otras galaxias. Estos agujeros negros masivos pueden formarse mediante la acumulación de gas y estrellas de agujeros negros más pequeños y fusionándose con otros agujeros negros, lo que lleva miles de millones de años.
Entonces, ¿por qué el telescopio espacial James Webb descubre agujeros negros supermasivos tan temprano en el tiempo, eones antes de que pudieran formarse? Los astrofísicos de la UCLA tienen una respuesta tan misteriosa como los agujeros negros: la materia oscura impidió que el hidrógeno se enfriara lo suficiente como para que la gravedad formara nubes grandes y densas que se convirtieron en agujeros negros en lugar de estrellas. Los hallazgos se publican en la revista. carta de revisión física.
“Qué sorprendente es encontrar un agujero negro supermasivo con mil millones de masas solares cuando el universo tiene sólo 500 millones de años”, dijo el autor principal Alexander Kusenko, profesor de física y astronomía en UCLA. “Es como encontrar un coche moderno entre huesos de dinosaurio y preguntarse quién construyó ese coche en tiempos prehistóricos”.
Algunos astrofísicos plantean la hipótesis de que una gran nube de gas podría colapsar directamente para formar un agujero negro supermasivo, evitando la larga historia de combustión, acreción y fusión estelar. Pero hay un problema: la gravedad, de hecho, juntará una gran nube de gas, pero no hasta convertirla en una nube grande. En cambio, recoge las partículas de gas en halos más pequeños que flotan cerca uno del otro pero que no forman un agujero negro.
Porque las nubes de gas se enfrían muy rápidamente. 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 una región mucho más pequeña, que colapsa en materia densa antes de que la gravedad tenga la oportunidad de arrastrar toda la nube hacia un solo agujero negro.
“La cantidad de hidrógeno molecular tiene mucho que ver con la rapidez con la que se enfría el gas”, dijo el primer autor y estudiante de doctorado Yifan Lu. “Los átomos de hidrógeno se unen en una molécula y pierden energía cuando se encuentran con un átomo de hidrógeno suelto. Las moléculas de hidrógeno se convierten en agentes refrigerantes porque absorben energía térmica y la irradian. Las nubes de hidrógeno en el universo primitivo eran principalmente hidrógeno molecular, y el gas se enfría rápidamente y forma pequeños halos en lugar de grandes nubes”.
Lu y el investigador postdoctoral Zachary Picker escribieron un código para calcular todos los procesos posibles en este escenario y descubrieron que la radiación adicional puede calentar el gas y disociar las moléculas de hidrógeno, cambiando la forma en que se enfría el gas.
“Si se añade radiación en un cierto rango de energía, se destruye el hidrógeno molecular y se crean condiciones que impiden que las grandes nubes se rompan”, dijo Lu.
¿Pero de dónde viene la radiación?
Una fracción muy pequeña de la materia del universo es del tipo que podemos observar en nuestros cuerpos, nuestros planetas, estrellas, etc. La gran mayoría de los objetos detectados por los efectos gravitacionales sobre los objetos estelares y la desviación de la luz procedente de fuentes distantes están formados por algunas partículas nuevas, que los científicos aún no han detectado.
Por tanto, la forma y las propiedades de la materia oscura son un misterio que aún está por resolver. Aunque no sabemos qué es la materia oscura, los teóricos de las partículas han especulado durante mucho tiempo que puede contener partículas inestables que se desintegran en fotones, partículas de luz. La inclusión de materia oscura en las simulaciones proporciona la radiación necesaria para que el gas permanezca en una gran nube cuando colapse en un agujero negro.
La materia oscura puede estar formada por partículas que se desintegran lentamente, o puede estar formada por múltiples especies de partículas: algunas que son estables y otras que se desintegran tempranamente. En ambos casos, el producto de la desintegración puede irradiarse en forma de fotones, que descomponen el hidrógeno molecular e impiden que la nube de hidrógeno se enfríe demasiado rápido. Incluso la muy suave desintegración de la materia oscura emite suficiente radiación para evitar el enfriamiento, la formación de grandes nubes y, eventualmente, agujeros negros supermasivos.
“Esta podría ser la respuesta a por qué los agujeros negros supermasivos se encuentran tan rápidamente”, dijo Picker. “Si eres optimista, también puedes leer esto como una prueba positiva de la existencia de un tipo de materia oscura. Si estos agujeros negros supermasivos se forman por el colapso de una nube de gas, entonces tal vez la radiación adicional necesaria provenga de la física desconocida . El sector oscuro.”
echar raíces
- Los agujeros negros supermasivos suelen tardar miles de millones de años en formarse. Pero el Telescopio Espacial James Webb no los encuentra hasta mucho después del Big Bang, antes de que debieran haber sido encontrados durante su formación.
- Los astrofísicos de la UCLA descubrieron que cuando la materia oscura se desintegra, los fotones que emite mantienen el gas hidrógeno lo suficientemente caliente como para que la gravedad finalmente lo colapse en un agujero negro supermasivo.
- Además de explicar la existencia de agujeros negros supermasivos muy tempranos, el hallazgo respalda la existencia de un tipo de materia oscura capaz de descomponerse en partículas similares a fotones.