A medida que los astrónomos repasan los primeros capítulos de la historia del universo, han descubierto una horda de gigantescos agujeros negros que parecen haber madurado mucho más rápido de lo que los científicos creían posible.
Priyamvada Natarajan Es similar a un biólogo cósmico. Estudia la vida de estos precoces agujeros negros, objetos tan densos que atrapan toda la materia y la luz a su alcance. Como estudiante de posgrado en astronomía, Natarajan fue uno de los primeros en tratar agujeros negros como poblaciones en lugar de objetos individuales, estudiando su taxonomía general y evolución como si fueran murciélagos en una selva tropical. Natarajan, ahora astrofísica en la Universidad de Yale, continúa estudiando el comportamiento de estos animales y se ha centrado en comprender cómo nacen.
Tradicionalmente, los agujeros negros se forman tras una gran explosión estelar y crecen en masa a medida que se alimentan de los yacimientos de gas cercanos. Pero un puñado de observaciones de agujeros negros supermasivos en el universo primitivo han sugerido que hay más en el panorama. En 2006, Natarajan y sus colegas propusieron una explicación radicalmente nueva de cómo los discos de gas podrían colapsar directamente en pequeños agujeros negros anormalmente masivos sin siquiera formar una estrella. El año pasado una observación conjunta del Telescopio espacial James Webb (JWST) y el Observatorio de rayos X Chandra detectaron un agujero negro distante y radiante que parece verificar por fin la predicción de Natarajan.
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“Definitivamente es un argumento muy sólido a favor de estas pesadas semillas de agujeros negros”, afirma Raffaella Schneider, astrofísica de la Universidad La Sapienza de Roma. “[Natarajan] haber propuesto esta idea realmente ayudó a la comunidad a ampliar nuestra visión sobre las diferentes posibilidades que pueden ocurrir”.
Natarajan habló con Científico americano sobre cómo las observaciones recientes respaldan su propuesta de “agujeros negros de colapso directo” y qué nos dicen sobre la ascendencia de estas criaturas.
[An edited transcript of the interview follows.]
¿Qué te interesó en estudiar los agujeros negros y sus orígenes?
Siempre me han atraído las entidades invisibles del universo. Mi trabajo ha consistido principalmente en intentar comprender a un nivel fundamental la naturaleza de estos componentes oscuros del universo: la materia y la energía oscuras, así como los agujeros negros. Estos objetos me parecen increíblemente seductores y enigmáticos. Sirven como recordatorio de los límites de nuestro conocimiento, los lugares donde las leyes conocidas de la física fallan.
En las últimas décadas, los agujeros negros han pasado de ser un concepto puramente matemático a ser objetos reales que podemos observar, y ahora han pasado a ocupar un lugar central en nuestra comprensión de cómo surgen las galaxias. El universo está plagado de agujeros negros de todos los tamaños. Son una parte importante de nuestro inventario cósmico, por lo que comprender cómo surgieron es una cuestión abierta fundamental.
¿Qué no sabemos sobre la formación de agujeros negros?
Normalmente, los agujeros negros nacen cuando las estrellas mueren. Cuando las estrellas más masivas sufren un colapso gravitacional, la pequeña pepita que dejan atrás es un agujero negro. Esa es la historia del origen bastante claramente establecida.
El agujero negro más distante jamás detectado en rayos X se encuentra en la galaxia UHZ1, fotografiado por el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA (púrpura) y datos infrarrojos del Telescopio Espacial James Webb de la NASA (rojo, verde, azul).
Pero hace unas dos décadas, cuando comenzamos a mirar cada vez más hacia el universo con misiones como la Encuesta Sloan Digital Sky, encontramos un puñado de agujeros negros muy masivos (hasta alrededor de mil millones de veces la masa del Sol) cuando el universo tenía entre uno y dos mil millones de años. Dada la velocidad a la que sabemos que a los agujeros negros les gusta alimentarse, simplemente no hubo tiempo suficiente para tomar las pequeñas semillas que se obtendrían de las primeras estrellas que explotaron y convertirlas en estos gigantescos agujeros negros. En los años siguientes, empezamos a ver que no se trataba sólo de unos pocos objetos extraños; en realidad había una población entera de agujeros negros supermasivos en el universo primitivo. Y ahí fue cuando comenzó el enigma.
Algunas personas comenzaron a explorar si podría haber formas de que los agujeros negros se alimenten mucho más rápido que el límite conocido. En teoría sí, pero todavía tenemos que ver indicaciones observacionales convincentes de ello. Entonces comencé a preguntarme, ¿qué pasaría si empezáramos con semillas más grandes? Mi equipo y yo nos dimos cuenta de que si un disco de gas es irradiado por estrellas de una galaxia cercana, podría eludir el proceso de formación estelar y colapsar directamente en un agujero negro. Este agujero negro de colapso directo sería mucho más grande al nacer: entre 1.000 y 100.000 veces la masa del sol. Ese agujero negro podría luego fusionarse con una galaxia cercana y crecer fácilmente hasta alcanzar el tamaño que vemos.
¿Cómo fue recibida esta propuesta por la comunidad?
Había mucha gente que nos rechazaba. Dijeron: “La física es linda y tiene sentido, pero ¿es este proceso lo suficientemente eficiente como para suceder realmente en el universo?” En aquel momento, estas épocas del universo no eran accesibles mediante observación. Para observar la formación de estas semillas iniciales, necesitábamos retroceder hasta los primeros mil millones de años después de la formación del universo.
Por eso la promesa de JWST era tan tentadora; Nos mantuvo motivados para seguir trabajando en esto. Empezamos a pensar en qué señales podríamos buscar como evidencia de agujeros negros de colapso directo y se nos ocurrió una idea. En las galaxias cercanas, la masa de todas las estrellas suele ser entre 1.000 y 10.000 veces la masa del agujero negro central. Pero en estos escenarios de colapso directo, durante un breve período de tiempo, la masa del agujero negro podría ser comparable a la masa de las estrellas. Esto significa que deberíamos ver un agujero negro extremadamente brillante que se alimenta activamente y que esencialmente eclipsa a todas las estrellas de la galaxia. Si pudiéramos ver una de estas galaxias tanto en rayos X como en luz infrarroja, veríamos firmas distintas del enorme agujero negro en su centro.
Sin embargo, incluso con JWST y Chandra, no podemos ver lo suficientemente atrás como para presenciar directamente la formación de las primeras semillas de los agujeros negros. Pero me di cuenta de que si la naturaleza fuera amable con nosotros, una de estas galaxias podría estar escondida detrás de una lupa: un cúmulo de galaxias rico en materia oscura que actúa como una espectacular lente gravitacional. Había estado trabajando para mapear algunas de estas lentes gravitacionales con el Telescopio Espacial Hubble y sugerí que enfoquemos nuestros nuevos telescopios en este cúmulo muy complejo llamado Abell 2744. Conocía cada parte de ese mapa de materia oscura por dentro y por fuera. Tenía esperanzas, pero este fue un verdadero tiro en la oscuridad.
¿Y cómo valió la pena?
He aquí que a principios del año pasado recibí una llamada de mi colega, el astrofísico Akos Bogdan, que había visto las observaciones Chandra de galaxias detrás de la lente Abell 2744. Él dijo: “¿Estás sentado? Creo que encontramos algo”. Por completa coincidencia, el espectro de una galaxia coincidía increíblemente bien con los gráficos de predicción que hicimos en 2017 de una detección hipotética. Fue alucinante. Marca cada propiedad predicha. Es una evidencia muy convincente de que los agujeros negros de colapso directo se forman en el universo primitivo. Esto ya no es sólo una especulación.
Ahora bien, todavía podría haber otras formas de formar semillas de agujeros negros. Eso es lo que voy a hacer a continuación: tratar de descubrir otras vías y cuáles podrían ser sus características observacionales únicas. Abre toda una caja de Pandora de preguntas interesantes.
Puedo imaginar. ¿Cómo se sintió al encontrar finalmente evidencia de su idea en la naturaleza?
Esto es exactamente lo que me apasiona de ser astrofísico: quiero que las ideas teóricas se comparen con datos de observación. Estamos en este momento increíble de la historia en el que puedes hacer una predicción y durante tu vida puede ser validada o invalidada. Es precisamente por eso que la gente dice que vivimos en la edad de oro de la cosmología. Estoy profundamente agradecido.