crecimiento de agujero negro supermasivo

En el centro de una galaxia enana ultracómpacta (un sistema estelar muy denso de decenas de años luz de tamaño) funciona una aspiradora. Solo que en lugar de polvo, aspira el gas que expulsan las estrellas moribundas. Ese gas no se dispersa, sino que se arremolina en un embudo: un disco en rotación que poco a poco se asienta sobre el agujero negro.

Alrededor de una estrella recién encendida gira un remolino de polvo y gas. Ese remolino — el disco protoplanetario — crece absorbiendo materia de la nube circundante.

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 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.

Cuando miramos al espacio profundo, vemos el pasado. La ley de Edwin Hubble convierte el corrimiento al rojo en una máquina del tiempo: la luz de la galaxia UDS 12999 tardó 7.600 millones de años en llegar hasta nosotros — más de la mitad de la vida del Universo.

Una historia detectivesca se desarrolló en el catálogo GWTC-5. Cientos de señales de agujeros negros en fusión, capturadas por los detectores de Rainer Weiss y sus colegas, guardaban el secreto del origen de los objetos más masivos y de rotación más rápida de escala estelar.

En un estudio reciente, los astrofísicos mostraron cómo la física anterior a la recombinación, en particular la energía oscura temprana, afecta la variación espectral $$α_s$$ y, en consecuencia, la viabilidad de los escenarios de formación de agujeros negros primordiales a partir de la fase de rodadura ultralenta (USR) durante la inflación.

Las observaciones del James Webb mostraron que ya 500 millones de años después del Big Bang (con corrimientos al rojo z~10), en el universo brillaban agujeros negros con masas de miles de millones de soles.

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 centro de una galaxia lejana, un agujero negro supermasivo está rodeado por un disco plano y giratorio de gas y polvo: un embudo gigante con materia cósmica. En este disco puede encontrarse un objeto compacto pequeño, por ejemplo, otro agujero negro de masa estelar.

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.

Un planeta bebé gigante sigue atrayendo hacia sí los restos del material de construcción de la nube que lo rodea. Esa es la imagen que ha capturado el telescopio espacial Hubble al apuntar sus cámaras al objeto con nombre de catálogo SR 12 c.

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.

La ciudad lleva mucho dormida: ni una ventana iluminada, ni una casa nueva. Solo en el centro, en un único edificio, alguien olvidó apagar un reflector. Así es una galaxia donde ya no nacen estrellas, pero su agujero negro central sigue brillando.

Lanza una piedra a un estanque y verás ondas. Algo similar ocurre dentro de los cúmulos compactos de materia oscura cuando se encuentran en un medio especial: el campo escalar. Este campo, que lo impregna todo, puede amplificarse espontáneamente en el interior de estos objetos, como si las ondas en el agua se hicieran cada vez más altas y visibles.

Una olla de gachas hirviendo donde, en lugar de grano, hay capas de oxígeno y silicio, y el fuego debajo está a punto de apagarse, y la estrella colapsará sobre sí misma.

Una esponja arrojada a un cubo de agua absorbe con avidez la humedad y se hincha ante nuestros ojos. Pero si se sigue añadiendo agua y la esponja se comprime y se suelta alternativamente, la absorción se vuelve más difícil y dura más. Algo así se comportaban los diminutos agujeros negros en los albores del universo.

Dos agujeros negros, girando uno alrededor del otro, se comportan como un bote que rema con estrellas. Cada estrella que pasa es expulsada, como una palada de remo, y transfiere impulso al par. Durante mucho tiempo se pensó que esto simplemente los acerca.

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.

Un globo se infla cada vez más rápido. Primero se estira suavemente, pero en cierto momento la bomba falla: la velocidad disminuye y luego vuelve a aumentar. Durante ese breve respiro, en la goma aparecen diminutas burbujas. Al seguir inflando, se convierten en nudos densos. Algo parecido le ocurrió al propio universo justo después del Big Bang.

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 agujero negro diminuto, del tamaño de un núcleo atómico, flota en el caldo ardiente del universo temprano. Normalmente, una criatura tan pequeña debería evaporarse rápidamente, liberando energía como una gota de agua en una sartén caliente. Pero si el espacio es más complejo de lo que parece y contiene dimensiones ocultas, todo cambia.

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 enigma del rápido crecimiento de los agujeros negros en el universo joven podría explicarse con las quasiestrellas. Son gigantescos capullos de gas con un agujero oculto en su interior. La materia que cae en él se calienta y emite tanta luz que impide que el capullo colapse. Tal objeto pesa miles de soles y brilla más que toda una galaxia.

Hace 4 mil millones de años, la joven Tierra era bombardeada sin piedad por meteoritos, dejando cráteres. Las lluvias los llenaban de agua, formando pequeños estanques donde se acumulaban burbujas lipídicas.

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?

Los agujeros negros son desagües cósmicos, embudos de gravedad que atraen materia del espacio circundante. Este proceso, llamado acreción, no siempre transcurre sin contratiempos: parte del gas que cae puede ser expulsado de vuelta en forma de estrechos chorros relativistas: los jets.

Una ciudad donde se construyen a la vez un rascacielos y un enorme parque. El rascacielos crece hacia arriba y el parque se expande hacia los lados. Ambos procesos van rápido y se estorban mutuamente, pero al final deben formar un todo único. Así ocurre en la galaxia GNz7q: en el centro crece un agujero negro y a su alrededor estallan estrellas nuevas.

Un agujero negro no se ve hasta que una estrella pasa cerca. Entonces las fuerzas de marea estiran la estrella como un cocinero estira la masa, y parte del material cae en el agujero, emitiendo un destello final. Estos eventos, llamados disruptiones de marea, son una oportunidad única para pesar un agujero negro que de otro modo permanecería invisible.

El telescopio James Webb observó el universo primitivo y vio multitud de misteriosos puntos rojos. Su brillo no se parecía ni a las galaxias ni a las estrellas habituales. La respuesta fue inesperada: son agujeros negros en crecimiento, nacidos sin pasar por la etapa estelar.

Un agujero negro en rotación funciona como un generador cósmico: su giro inyecta energía en una nube escalar invisible, uno de los candidatos a ser materia oscura. Un campo escalar es como la temperatura: en cada punto del espacio se define con un solo número, sin flechas ni vectores.

En el universo temprano, unos cientos de millones de años después del Big Bang, en densas nubes de gas se gestaban unas 'semillas' especiales: agujeros negros supermasivos. Las simulaciones por computadora mostraron que estos embriones eran diez veces más pesados de lo que se creía: cada uno equivalía a un millón de soles.

Analizando las marcas de color —la relación de brillo en diferentes rangos espectrales — en las imágenes del telescopio espacial James Webb, los astrónomos identificaron galaxias cuya luz se corta bruscamente en la región ultravioleta.