El lanzamiento del próximo supertelescopio de la NASA, el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace (Roman), puede significar que no queda ningún lugar donde esconderse los agujeros negros violentos.
De hecho, es posible que estos caníbales cósmicos ni siquiera puedan esconderse de Roman en el “mediodía cósmico”, un período de la historia del universo que ocurrió hace entre 11 y 12 mil millones de años. El estudio de estos sangrientos eventos estelares tan tempranos en la historia del universo podría ayudar a revelar cómo los agujeros negros supermasivos crecieron tan grandes y tan rápidamente.
Los agujeros negros que destrozan estrellas se denominan eventos de perturbación de marea (TDE, por sus siglas en inglés) y ocurren cuando la órbita de una estrella desafortunada la acerca demasiado a la inmensa influencia gravitacional de un agujero negro supermasivo. Esto simultáneamente aplasta y comprime la estrella en un proceso llamado “espaguetificación”, en el que la pasta de plasma se envuelve alrededor del agujero negro y se alimenta gradualmente hacia él.
Debido a que los agujeros negros supermasivos están envueltos en un límite unidireccional que atrapa la luz llamado horizonte de sucesos, la única forma de estudiarlos es cuando están consumiendo activamente la materia circundante. Esta materia se arremolina a su alrededor en los llamados discos de acreción.
Sin embargo, los agujeros negros supermasivos más ligeros no se alimentan vorazmente, lo que los hace más difíciles de investigar. Es decir, hasta que una estrella se acerca demasiado y queda destrozada en un TDE increíblemente brillante que puede eclipsar la luz combinada de cada estrella en la galaxia anfitriona del agujero negro supermasivo. Los TDE son más comunes en los agujeros negros supermasivos con masas de entre 100.000 y 100 millones de soles, porque los agujeros negros supermasivos con masas superiores a mil millones de masas solares tienden a tragarse inmediatamente sus bocadillos estelares.
Investigaciones anteriores han sugerido que los TDE no serían comunes en el universo temprano, porque los primeros agujeros negros supermasivos ni siquiera tendrían una masa 100.000 veces la del sol y, por lo tanto, no destrozarían las estrellas. Sin embargo, un nuevo estudio ha reevaluado la frecuencia de los TDE entre 1.000 y 2.000 millones de años después del Big Bang y ha descubierto que podrían ser más comunes de lo estimado anteriormente. Especialmente durante las condiciones de hacinamiento que se encuentran durante el mediodía cósmico.
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Los científicos esperan que el estudio Roman en el dominio del tiempo de alta latitud, que se lanzará el 30 de agosto de 2026, visitará repetidamente una región del cielo equivalente a 90 lunas llenas, sea una herramienta poderosa en la búsqueda de TDE en el universo temprano y su estudio posterior. Este equipo estimó que Rubin detectará entre miles y decenas de miles de TDE cada año, de los cuales cientos se remontan al mediodía cósmico.
“El Telescopio Espacial Romano será transformador para la ciencia transitoria [transients are astronomical events that light up the sky then fade away]”, dijo en un comunicado el líder del equipo de investigación Mitchell Karmen de la Universidad Johns Hopkins. “Gracias a la alta sensibilidad de Roman, podemos encontrar múltiples eventos de perturbación de mareas a mayores distancias y tiempos cósmicos más tempranos que nunca”.
Esto significa que Roman está en una posición ideal para resolver un rompecabezas que se ha desarrollado desde que su predecesor, el Telescopio Espacial James Webb (JWST), comenzó a transmitir datos a la Tierra en julio de 2022.
¿Cómo podrían los primeros TDE resolver el enigma del crecimiento de los agujeros negros?
En el corazón de todas las grandes galaxias se encuentran agujeros negros supermasivos con masas equivalentes a millones o incluso miles de millones de soles. Cuando se ven en un universo relativamente local, eso no es tan problemático; Han tenido mucho tiempo para crecer mediante fusiones y alimentación.
Sin embargo, el JWST ha estado detectando de forma rutinaria agujeros negros supermasivos antes de que el universo tuviera siquiera mil millones de años. Esto es preocupante porque estos primeros agujeros negros deberían haber tenido que pasar por al menos mil millones de años de fusiones y alimentación glotona para alcanzar el estado supermasivo. Los científicos tienen dos teorías predominantes sobre cómo pudo haber ocurrido este crecimiento.
El primero sugiere que los agujeros negros supermasivos crecen a partir de “semillas de luz”, comenzando con agujeros negros con masas apenas unos cientos de veces la del Sol y que nacen de la muerte y el colapso de estrellas masivas.
Estos agujeros negros podrían pesar hasta unos cientos de veces la masa del sol. Estos agujeros negros luego se fusionarían con el tiempo y consumirían el gas circundante a un ritmo increíble que facilitaría un rápido crecimiento. Para que esta teoría sea la correcta, cada galaxia joven tendría que albergar un agujero negro masivo en su centro.
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La segunda teoría sugiere que los primeros agujeros negros supermasivos crecieron a partir de “semillas pesadas” creadas directamente a partir del colapso de vastas nubes de gas y polvo primordiales. Esto permitiría un crecimiento rápido porque los agujeros negros podrían comenzar todo el proceso de fusión y alimentación antes de que las primeras estrellas vivieran y murieran.
Sin embargo, si este fuera el camino correcto, el hecho de que los eventos de colapso fueran raros haría que los agujeros negros masivos en el corazón de las galaxias del mediodía cósmico fueran menos comunes.
Debido a que los TDE son comunes a los agujeros negros supermasivos menos masivos, contar su aparición en el mediodía cósmico podría dar una indicación de las masas de los agujeros negros durante esa época, la clave para determinar entre semillas pesadas y semillas ligeras.
“Los eventos de perturbación de mareas nos ayudan a sondear la población de agujeros negros supermasivos ligeros, lo que puede ayudarnos a discriminar entre estos modelos”, dijo Karmen.
“Simplemente contando el número de TDE en función del corrimiento al rojo [a measure of cosmic distance]se pueden imponer limitaciones significativas a la población de agujeros negros de un millón de masas solares. “Roman será transformador porque puede sondear eventos de perturbación de las mareas a distancias mayores, de modo que se pueda observar cómo evoluciona la tasa de TDE con el tiempo”, dijo el miembro del equipo Suvi Gezari, profesor asociado de astronomía en la Universidad de Maryland. “Al igual que el JWST ha transformado nuestra comprensión del alto desplazamiento al rojo distante [very distant] galaxias, Roman está preparado para transformar nuestra comprensión de los transitorios de alto corrimiento al rojo”.
La investigación del equipo fue publicada el 14 de julio en The Astrophysical Journal.