Las semillas de los primeros agujeros negros supermasivos

Uno de los rompecabezas más complicados de resolver en astronomía tiene que ver con el modo en el que se formaron los agujeros negros supermasivos en las primeras épocas del universo. Por un lado, se han observado quásares distantes y luminosos que delatan su existencia desde que el universo tenía menos de mil millones de años. Pero por otro, el proceso de crecimiento normal de un agujero negro es demasiado lento como para encajar en esta hipótesis.

Las explicaciones posibles son varias. Se cree, por ejemplo, que estos agujeros negros supermasivos pudieron nacer a partir de la explosión de estrellas supermasivas, del colapso de grandes nubes de gas o incluso de las colisiones entre agujeros negros más pequeños. Pero la teoría que llamó la atención del Dr. Muhammad Latif fue la que afirma que estos agujeros negros crecieron a partir de semillas de agujeros negros extremadamente grandes por «colapso directo».

Gracias a la financiación obtenida a través del proyecto FIRSTBHS (The formation of supermassive black holes in the early universe), el Dr. Latif simuló la formación y el crecimiento de estas semillas.

¿Qué interés plantean los primeros agujeros negros supermasivos?

Los primeros agujeros negros supermasivos son muy interesantes al haberse formado en el universo primigenio, durante los primeros mil millones de años tras el Big Bang, una fracción diminuta de la edad actual del universo (13 700 millones de años). Ponen a prueba lo que sabemos sobre la formación de estructuras en el universo.

Una analogía válida sería encontrarse con un niño de dos metros en una guardería. Te preguntarías cómo ha podido crecer tanto ese niño. Lo mismo pasa con estos agujeros negros. Sus masas son miles de millones de veces mayores que la del Sol y cuesta comprender cómo han llegado a alcanzar tal magnitud en tan poco tiempo, cuando las estrellas apenas habían empezado a formarse.

¿Qué lagunas en el conocimiento se propusieron subsanar con este proyecto?

Nos propusimos comprender cuál sería el modo más viable de componer objetos tan masivos. Existen tres mecanismos astrofísicos que podrían dar lugar a la formación de los primeros agujeros negros supermasivos. La primera hipótesis es el método de colapso directo, con el que se cuenta con semillas masivas que facilitan el crecimiento.

Con este proyecto tratamos de comprobar la veracidad de esa hipótesis, cómo de masivas son las semillas que puede generar y su abundancia, comparar su densidad con las observaciones e investigar en detalle los mecanismos astrofísicos subyacentes. Nos propusimos derivar sus firmas de observación y predecir aspectos de cara a futuras misiones espaciales y terrestres.

¿Cómo lo lograron?

Realizamos tres simulaciones cosmológicas dimensionales partiendo de condiciones iniciales ab initio en las que modelamos con todo detalle los procesos físicos necesarios.

En su opinión, ¿cuáles son los aspectos más innovadores de esta metodología?

Diría que la faceta multifísica de nuestra simulación cosmológica, la cual incluyó modelos detallados químicos y de turbulencia sin resolver, campos magnéticos, transferencia radiante para modelar el espectro UV, retroalimentación de rayos X de estrellas y agujeros negros de acreción y enriquecimiento de metales. El método es completamente vanguardista en este campo.

En su opinión, ¿cuáles son los resultados más importantes del proyecto?

Nuestros resultados muestran que el mecanismo de colapso directo genera semillas masivas de agujeros negros de 10^5 a 10^6 masas solares, las cuales podrían crecer hasta formar los primeros agujeros negros supermasivos.

Las condiciones para la formación de este tipo de objetos son ideales en el universo primigenio. En concreto, los halos vírgenes masivos iluminados por un flujo ultravioleta intenso son las «cunas» potenciales para la formación de agujeros negros masivos. Nuestros resultados indican que estos objetos son raros y precisan de unas condiciones especiales para generarse, pero esto es algo que aún se debate entre expertos.

¿Qué espera obtener de las misiones JWST y ATHENA?

Confiamos que el JWST encuentre algunas de las semillas de agujeros negros, dado que estos objetos distantes son bastante tenues en sus primeras fases. Por supuesto esto dependerá de su abundancia, la cual aún está por determinar.

ATHENA podría ser más fructífero, debido a que se espera que pueda detectar unos pocos centenares de núcleos galácticos activos de baja luminosidad de z>6, lo cual permitiría limitar los modelos de formación de agujeros negros.

¿Cuáles son sus planes para después del proyecto?

Estamos investigando el crecimiento de agujeros negros en el universo primigenio, labor para la que contamos con simulaciones detalladas. Junto a mis colaboradores tratamos de comprender el modo en el que la retroalimentación de los agujeros negros y las estrellas afecta al crecimiento de los agujeros negros y también la función del entorno, los flujos fríos que alimentan estos agujeros negros, etc. Confiamos en derivar observables sintéticos para E-ELT, Euclid, ATHENA, JWST y SKA, y esperamos que este método nos permita comprender la formación y el crecimiento de los primeros agujeros negros supermasivos.

FIRSTBHS
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