Los agujeros negros se forman cuando las estrellas mueren permitiendo que la materia en ellos colapse en un objeto extremadamente denso del que ni siquiera la luz puede escapar. Los astrónomos teorizan que los agujeros negros masivos también podrían formarse en el nacimiento de una galaxia, pero hasta ahora nadie ha podido mirar lo suficientemente atrás en el tiempo para observar las condiciones que crean estos agujeros negros de colapso directo (DCBH).

El telescopio espacial James Webb, programado para su lanzamiento en 2021, podría mirar lo suficiente hacia atrás en el Universo temprano para ver una galaxia que alberga un agujero negro masivo naciente. Ahora, una simulación realizada por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia ha sugerido lo que los astrónomos deberían buscar si buscan en los cielos un DCBH en sus primeras etapas.

La primera simulación de su tipo, informó el 10 de septiembre en la revista Astronomía de la naturaleza , sugiere que la formación directa de estos agujeros negros estaría acompañada de tipos específicos de radiación intensa, incluyendo rayos X y emisión ultravioleta que cambiarían a infrarrojos cuando lleguen al telescopio. Los agujeros negros probablemente también generarían estrellas masivas libres de metales, un hallazgo que fue inesperado.

La investigación fue apoyada por la NASA, el Laboratorio Nacional de Los Alamos, la Fundación Nacional de Ciencias, la Junta de Educación de la Región Sur y dos becas de teoría del Hubble.

"Hay agujeros negros supermasivos en el centro de muchas galaxias grandes, pero no hemos podido observar cómo se forman ni cómo se volvieron tan grandes, "dijo Kirk S. S. Barrow, primer autor del artículo y un reciente Ph.D. Graduado de la Escuela de Física de Georgia Tech. "Los científicos han teorizado que estos agujeros negros supermasivos podrían haberse formado en el nacimiento de una galaxia, y queríamos convertir estas predicciones teóricas en predicciones observacionales que pudieran ser vistas por el telescopio espacial James Webb ".

La formación de DCBH se iniciaría por el colapso de una gran nube de gas durante la formación inicial de una galaxia, dijo John H. Wise, profesor de la Escuela de Física de Georgia Tech y del Centro de Astrofísica Relativista. Pero antes de que los astrónomos pudieran esperar captar esta formación, tendrían que saber qué buscar en los espectros que el telescopio podría detectar, que es principalmente infrarrojos.

La formación de un agujero negro podría requerir un millón de años más o menos, pero para imaginar cómo podría haber sido eso, El ex investigador postdoctoral Aycin Aykutalp, ahora en el Laboratorio Nacional de Los Alamos, utilizó la supercomputadora Stampede de la Universidad de Texas en Austin, apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias, para ejecutar una simulación que se centra en las secuelas de la formación de DCBH. La simulación utilizó los primeros principios de la física, como la gravedad, Radiación e hidrodinámica.

"Si la galaxia se forma primero y luego el agujero negro se forma en el centro, que tendría un tipo de firma, "dijo Wise." Si el agujero negro se formó primero, ¿Eso tendría una firma diferente? Queríamos averiguar si habría diferencias físicas, y de ser así, si eso se traduciría en diferencias que podríamos observar con el telescopio espacial James Webb ".

Las simulaciones proporcionaron información como densidades y temperaturas, y Barrow convirtió esos datos en predicciones de lo que podría observarse a través del telescopio:la luz que probablemente se observaría y cómo se vería afectada por el gas y el polvo que habría encontrado en su largo viaje a la Tierra. "Al final, teníamos algo que un observador podía ver con suerte, "Dijo Barrow.

Los agujeros negros tardan alrededor de un millón de años en formarse, un destello en el tiempo galáctico. En la simulación DCBH, ese primer paso implica el colapso de gas en una estrella supermasiva hasta 100, 000 veces más masivo que nuestro sol. Luego, la estrella sufre inestabilidad gravitacional y colapsa sobre sí misma para formar un agujero negro masivo. La radiación del agujero negro desencadena la formación de estrellas durante un período de aproximadamente 500, 000 años, la simulación sugerida.

"Las estrellas de esta primera generación suelen ser mucho más masivas, por lo que viven por un período de tiempo más corto, ", Dijo Wise." En los primeros cinco a seis millones de años después de su formación, mueren y se vuelven supernovas. Esa es otra de las firmas que informamos en este estudio ".

Después de la forma de supernovas, el agujero negro se calma pero crea una lucha entre las emisiones electromagnéticas (luz ultravioleta y rayos X que intentan escapar) y la propia gravedad del agujero negro. "Estos ciclos duran otros 20 o 30 millones de años, "Dijo Wise.

Los agujeros negros son relativamente comunes en el universo, así que la esperanza es que con suficientes instantáneas, los astrónomos podrían atrapar a uno naciendo, y eso podría conducir a una nueva comprensión de cómo evolucionan las galaxias con el tiempo.

La formación de estrellas alrededor del DCBH fue inesperada, pero en retrospectiva, que tiene sentido, Dijo Barrow. La ionización producida por los agujeros negros produciría reacciones fotoquímicas capaces de desencadenar la formación de las estrellas. Las estrellas sin metales tienden a ser más grandes que otras porque la ausencia de un metal como el hierro evita la fragmentación. Pero debido a que son tan grandes, estas estrellas producen enormes cantidades de radiación y terminan sus vidas en supernovas, él dijo.

"Este es uno de los últimos grandes misterios del universo temprano, ", Dijo Barrow." Esperamos que este estudio proporcione un buen paso para descubrir cómo se formaron estos agujeros negros supermasivos en el nacimiento de una galaxia ".