Los agujeros negros en el universo temprano plantean un pequeño problema. Basado en observaciones de telescopios en la Tierra y en el espacio, sabemos que algunos agujeros negros crecieron hasta tener mil millones de veces la masa del sol sólo mil millones de años después del Big Bang. Nuestros modelos actuales de crecimiento de agujeros negros, sin embargo, no puedo explicar esta velocidad de crecimiento. Entonces, ¿cómo surgieron estos agujeros negros supermasivos?

Este es un problema que ha plagado a los astrónomos durante mucho tiempo. Nuestro conocimiento actual sugiere que en este marco de tiempo, solo los llamados agujeros negros de masa intermedia hasta 100, 000 veces la masa de nuestro Sol debería haber podido crecer. Y aunque se han propuesto varias teorías para este rápido crecimiento temprano de los agujeros negros, la respuesta sigue siendo difícil de alcanzar.

"Eso sigue siendo un gran problema en astrofísica, "dijo el Dr. John Regan, astrofísico de la Dublin City University, Irlanda.

Los agujeros negros se forman después de que una estrella masiva se queda sin combustible, a veces como resultado de una supernova y otras veces sin supernova, que se denomina escenario de colapso directo. Una vez que a una estrella no le queda combustible para quemar, ya no puede soportar su masa y se derrumba. Si la masa de la estrella fuera lo suficientemente grande, colapsará en un objeto con una inmensa atracción gravitacional de la cual nada, ni siquiera luz, puede escapar:un agujero negro.

A medida que el agujero negro atrae gradualmente más y más polvo y gas cercanos, puede aumentar de tamaño, eventualmente alcanzando las proporciones gigantes de un agujero negro supermasivo, como la primera fotografiada en abril de 2019. Los científicos ahora están investigando si los agujeros negros supermasivos podrían haberse formado a partir de estrellas supermasivas que colapsaron para formar grandes agujeros negros 'semilla', dándoles una ventaja en su crecimiento.

El Dr. Regan coordinó un proyecto llamado SmartStars, que utilizaba una de las supercomputadoras más potentes de Irlanda, ICHEC, para modelar cómo las estrellas supergigantes podrían proporcionar las semillas para los agujeros negros supermasivos. El equipo quería ver si estas estrellas podían explicar el rápido crecimiento de los agujeros negros supermasivos. que vemos hoy en el centro de casi todas las galaxias.

250, 000

Descubrieron que tales estrellas podían crecer hasta 250, 000 veces la masa del sol en 200 millones de años después del Big Bang, un resultado tentador. Sin embargo, incluso las supercomputadoras tienen sus limitaciones. Los investigadores solo pudieron modelar el futuro de tales estrellas durante un millón de años, pero el modelo necesita cubrir 800 millones de años para ver si estas estrellas realmente podrían ser las semillas de agujeros negros supermasivos.

"Es un excelente punto de partida, ", dijo el Dr. Regan." Durante la próxima generación de supercomputadoras podremos llevar esas simulaciones cada vez más lejos ".

Otras teorías sobre cómo estos agujeros negros crecieron tan rápido son que una pequeña fracción de los agujeros negros creció a un ritmo increíble, o que los agujeros negros más pequeños se fusionaron para convertirse en un agujero negro supermasivo.

Dr. Muhammad Latif, astrofísico de la Universidad de los Emiratos Árabes Unidos en Abu Dhabi, está de acuerdo con el Dr. Regan en que el modelo de estrella supermasiva sigue siendo nuestra mejor teoría en este momento. El Dr. Latif fue el investigador principal del proyecto FIRSTBHs que, como SmartStars, investigó la plausibilidad del modelo de estrella supermasiva, utilizando simulaciones en una supercomputadora en Francia.

Su proyecto que se llevó a cabo en el CNRS en Francia, demostró que las estrellas supermasivas pueden producir agujeros negros semilla cientos de miles de veces la masa de nuestro sol. "Descubrimos que este método es básicamente factible, "dijo el Dr. Latif, explicando que estos agujeros negros semilla iniciales son lo suficientemente grandes como para explicar el crecimiento de agujeros negros supermasivos de mil millones de masas solares en un período de tiempo reducido.

Sin embargo, requiere que las condiciones en el universo temprano fueran las adecuadas para que se formaran estos agujeros negros. Se necesitarían grandes cantidades de material hecho de hidrógeno y helio para formar suficientes agujeros negros semilla masivos para producir agujeros negros supermasivos. que parece haber sido posible.

Pero otros factores inexplicables significan que esto sigue siendo una pregunta abierta. Los agujeros negros semilla necesitarían atraer materia a una tasa de al menos 0,1 masas solares por año, por ejemplo, y por el momento no está claro si esto es posible.

Observatorios

Varios observatorios ya nos están permitiendo sondear los agujeros negros en el universo temprano con gran detalle. En octubre de 2019, astronomers announced that they had used the Atacama Large Millimetre/submillimetre Array (ALMA) in Chile to find a thick ring of dust and gas around a supermassive black hole inside a distant galaxy. With two gas streams rotating in opposite directions, it's thought this ring could have fed the supermassive black hole with enough material to cause it to grow rapidly.

Previously, in August 2019, NASA's Chandra X-ray Observatory managed to spot a so-called 'cloaked' black hole growing rapidly when the universe was just 6% of its current age. A thick cloud of gas hides the black hole and its resulting quasar, a bright region of superheated material that surrounds it, but Chandra was able to spot it by seeing X-rays emerge from the cloud.

Sin embargo, future telescopes will likely be needed to study the rapid growth of supermassive black holes in even more detail. Por ejemplo, while we can predict the existence of seed black holes, we can't yet see them. NASA's upcoming James Webb Space Telescope (JWST), due to launch in 2021, may be capable of spotting some of the undiscovered seed black holes.

The European Space Agency's Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (ATHENA), mientras tanto, set to launch in 2031, should give us an even better understanding of how supermassive black holes arise.

"People are quite hopeful that we will get a rather better picture with the ATHENA mission, " said Dr. Latif. And maybe soon, we'll finally know how these huge objects grew so big in such a short space of time.

"It's like going to kindergarten and finding a seven-feet tall baby, " added Dr. Latif.