formación de agujeros negros supermasivos

En una densa nube de gas y polvo donde nacen estrellas masivas, dos estrellas jóvenes pasaron hace poco muy cerca una de la otra. Su danza dura apenas unos sesenta años, y los astrónomos la han visto por primera vez en detalle.

Un censo de población según la forma del cuerpo: así se puede describir lo que hicieron los astrónomos con 6348 galaxias masivas. En lugar de estatura y peso, midieron cuánto se concentra la luz hacia el centro, cuán achatada está la galaxia y cuán asimétrica es su forma. Luego repitieron las mismas mediciones en galaxias de tres modelos computacionales del universo y compararon los resultados.

En las profundidades de las nubes moleculares se esconden amplificadores naturales: los máseres cósmicos. Funcionan como los láseres, pero en el rango de radio: las moléculas excitadas emiten al unísono ondas de una misma frecuencia, creando un haz brillante. El problema es que estas moléculas suelen tener varios caminos para liberar energía.

Una maratón de 13 mil millones de años comenzó con pesos dispares. Cien masas solares: más ligero que una nube de gas cualquiera. Cien mil: dominación gravitacional, comparable a un elefante entre gatitos. Así eran las semillas de agujeros negros que, para nuestros tiempos, debían convertirse en gigantes supermasivos.

Ochocientos millones de años después del Big Bang, y en el corazón de una joven galaxia ya late un motor monstruoso. Un agujero negro de diez mil millones de masas solares devora materia con tanta avidez que su radiación debería eclipsar todo a su alrededor. Pero afuera reina el silencio.

El telescopio James Webb miró hacia una época en la que el universo tenía menos de mil millones de años y vio objetos extraños: 'pequeños puntos rojos'. Son agujeros negros con masas de millones de soles, pero en galaxias muy compactas y químicamente casi intactas. Los escenarios estándar no logran hacer crecer tales pesos tan temprano.

Las estrellas masivas son titanes cósmicos, cuyas vidas transcurren bajo el signo de una energía indomable. Cuando una de estas estrellas entra en la fase de supergigante B[e], su radiación es tan potente que, aparentemente, sería capaz de disociar cualquier molécula en átomos.

El universo temprano con desplazamiento al rojo z>7 fue un escenario de crecimiento desenfrenado: los agujeros negros con masas de hasta mil millones de soles ya brillaban como cuásares, devorando gas a un ritmo monstruoso. Cómo estos gigantes lograron crecer en tan poco tiempo es uno de los enigmas más candentes de la astrofísica.

Las galaxias lenticulares son las «tranquilas» del cosmos: tienen disco, pero no brazos espirales brillantes. Durante mucho tiempo, su origen fue un misterio. Un equipo de científicos ejecutó la simulación por computadora Hydrangea y siguió el destino de cada galaxia desde su juventud hasta nuestros días. En el diagrama «masa-tamaño», estas galaxias se alinean formando una V.

En el centro de casi toda galaxia grande brilla un núcleo activo: un agujero negro supermasivo rodeado por un disco plano y giratorio de gas incandescente. Ese disco ya de por sí parpadea, pero los astrofísicos sospechan que en su interior se esconde todo un enjambre de pequeños agujeros negros de masa estelar.

Como un reflector: de lado brilla con un rojo tenue, pero de frente deslumbra con un blanco azulado. Así lucen los misteriosos «pequeños puntos rojos» del universo temprano: son gigantescos agujeros negros orientados de canto hacia nosotros.

En el universo temprano pudieron nacer diminutos agujeros negros: con masa de una montaña, pero del tamaño de un núcleo atómico. Hoy podrían servir como fábricas de materia oscura. Hay dos mecanismos: la evaporación habitual (radiación de Hawking) y la menos conocida superradiancia.

Un campo sembrado de semillas. Unas semillas son grandes y brotan con la más mínima lluvia; otras son caprichosas, exigen un suelo especial y condiciones raras. De qué semillas caigan en la tierra depende cómo crecerá el bosque años después. Más o menos así piensan los astrofísicos sobre el nacimiento de los agujeros negros en el universo temprano.

El Universo está lleno de lo invisible. Sabemos de la materia oscura por la rotación de las galaxias y las lentes gravitacionales, pero su naturaleza se nos escapa desde hace un siglo.

Heredero de las ideas de Edwin Hubble, el telescopio espacial James Webb observó épocas en las que la expansión del universo apenas comenzaba. A desplazamientos al rojo z>4 detectó objetos extraños: los 'Pequeños puntos rojos' (LRD).

El halo estelar de la Vía Láctea es un palimpsesto galáctico: un antiguo manuscrito donde bajo el texto visible se ocultan capas anteriores. Durante mucho tiempo se pensó que la estructura Gaia-Salchicha/Encelado (GSE) era la última entrada en este manuscrito, la huella de una sola fusión catastrófica.

La expansión del universo, descubierta por Edwin Hubble, nos brindó una imagen del cosmos joven, pero con ella, preguntas difíciles.

El telescopio espacial James Webb ha vislumbrado en las profundidades del cosmos unos objetos asombrosos: pequeños puntos rojos que brillan con tal intensidad que parecen un reflector escondido en una bombilla diminuta.

Solo unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang, en el océano invisible de la materia oscura ya se estaban formando gigantescos agujeros negros. Nacían de la materia misma, sin ayuda de estrellas. Este mecanismo, basado en las ecuaciones de Lemaître, explica su aparición temprana.

Las parejas de agujeros negros antes de fusionarse bailan en tres estilos diferentes. El primero es un vals cuidadoso: los objetos giran en la misma dirección, como compañeros mirando hacia el mismo lado. Estas parejas nacen de estrellas binarias y a menudo tienen masas desiguales. El segundo es un disco caótico: las rotaciones están dispersas, las masas son casi iguales.

En el espacio son frecuentes las parejas de agujeros negros que se fusionan, donde uno es notablemente más masivo que el otro. Esa diferencia de peso no es solo un número, sino la clave de su historia común.

Lanza una piedra a un estanque y verás círculos en el agua. El círculo más notorio nace de la onda más fuerte. Así es como los físicos suelen imaginar el crecimiento de las perturbaciones alrededor de un agujero negro: si hay una inestabilidad en el sistema, lo primero que debería manifestarse es su componente más 'ruidosa', la que crece más rápido.

Alrededor de nuestra galaxia, como una corona invisible, se extiende una nube de gas tenue, calentada a millones de grados. Se llama halo galáctico. Ver este resplandor directamente es difícil: emite rayos X suaves que la atmósfera terrestre absorbe.

Una estrella con un peso de cien mil soles vive de forma brillante y breve. Su final es un colapso rápido en un agujero negro. Pero justo antes del final, logra envolverse en un denso capullo de gas. Son precisamente estos capullos los que el telescopio James Webb distingue alrededor de objetos misteriosos: los 'pequeños puntos rojos'.

El universo, con apenas un par de cientos de millones de años, se parecía a una cocina gigante donde, a partir de la 'masa' primordial —hidrógeno y helio—, se amasaban las primeras galaxias. En sus centros se encendían agujeros negros, como hornos de distinta potencia: desde ligeros 'rechauds' hasta pesados 'fogones'.

Un pozo sin fondo, pero no del todo. Un agujero negro normal tiene un límite, el horizonte de sucesos, del que nada puede escapar. ¿Y si quitamos ese límite? Eso es exactamente lo que modelaron los astrofísicos con el objeto llamado JMN-1: un cuerpo masivo surgido del colapso de una estrella, pero sin esa barrera infranqueable.

En las afueras de la Vía Láctea hay estrellas que se mueven contra la corriente general, como coches circulando en sentido contrario. Antes se pensaba que todas eran restos de una única galaxia enana que nuestra galaxia desgarró y absorbió. Pero una nueva investigación muestra que hubo varias de estas galaxias 'en sentido contrario'.

Lanza dos piedritas idénticas desde la cima de una montaña: si una cae un centímetro más a la izquierda, en un minuto estarán en valles distintos. Una galaxia es como esa montaña, pero con miles de millones de piedras y una ladera que se extiende a lo largo de millones de años.

En el borde de nuestra galaxia, mucho más allá del familiar disco estelar, el telescopio Subaru ha vislumbrado algo inesperado: una nube estelar dispersa que se extiende por el cielo cubriendo un área de cien grados cuadrados.

En el centro de la galaxia PDS 456 brilla un cuásar: un agujero negro que devora gas y emite una luz más brillante que cientos de miles de millones de estrellas. El telescopio de rayos X XRISM ha examinado esa luz y ha visto en ella una empalizada de bandas oscuras, parecidas a la sombra de una cerca de estacas al atardecer.

En el telescopio se ve una galaxia que parece un gigantesco molinete luminoso. Su disco se extiende a lo largo de treinta mil años luz, un tercio del diámetro de nuestra Vía Láctea. Pero lo más sorprendente es que este molinete ya existía dos mil millones de años después del nacimiento del universo.

El agua en una tetera, mientras hierve, se divide claramente en líquido y vapor. Pero bajo una presión enorme, la frontera desaparece: la sustancia entra en un estado supercrítico, ni una cosa ni la otra, sino algo intermedio. Los agujeros negros también pueden hacer esto.

El telescopio espacial James Webb ha observado antiguas galaxias, en cuyo interior crecen agujeros negros demasiado grandes para una edad tan temprana tras el Big Bang. No habría habido tiempo suficiente para un crecimiento normal, así que debieron formarse de otra manera.

La luz de un cuásar lejano —el brillante núcleo de una galaxia— pasa cerca de una galaxia masiva y se desvía, como el haz de una linterna a través de un vidrio irregular. Si la lente y la fuente están casi perfectamente alineadas, no vemos un solo cuásar, sino varias copias del mismo.

El telescopio «James Webb» detectó agujeros negros —así los llamó John Wheeler, y Karl Schwarzschild los describió como una trampa para la luz—, que ya 500 millones de años después del Big Bang tenían masas superiores a millones de soles.

El telescopio espacial James Webb detectó en el universo primitivo objetos rojos diminutos pero anormalmente brillantes. Su luz supera en cientos de veces lo esperado para las galaxias típicas de esa época.

Otras galaxias son solo instantáneas antiguas, mientras que a la Vía Láctea la observamos en directo.

El cielo nocturno parece inmóvil, pero a veces una de las estrellas empieza a brillar con más intensidad. Eso ocurrió con el sistema AT 2019wey: lo detectó el telescopio TESS, que normalmente busca planetas alrededor de otras estrellas, pero en esta ocasión estaba fotografiando la zona adecuada del cielo cada media hora.

En el mismísimo centro de la Vía Láctea, tras un denso velo de polvo, se oculta una gigantesca acumulación de gas: la Zona Molecular Central. A simple vista no se puede ver: el polvo absorbe la luz visible, como una espesa niebla oculta las luces de una ciudad. Pero las ondas de radio y la radiación infrarroja atraviesan ese velo, permitiendo a los astrónomos distinguir nubes individuales.

El crecimiento de una galaxia se parece a un baile de dos parejas: en el centro de casi toda galaxia grande hay un agujero negro supermasivo, y crecen juntos. Pero, ¿quién lleva el paso en este baile?