Según las teorías clásicas, estos gigantes espaciales no habrían tenido tiempo de desarrollarse en el Universo joven. Sin embargo, las observaciones dicen que ya estaban presentes. Un nuevo estudio realizado por SISSA propone una respuesta a la fascinante pregunta Crédito: NASA/JPL-Caltech

Son miles de millones de veces más grandes que nuestro Sol: ¿cómo es posible que, como se observó recientemente, los agujeros negros supermasivos ya estuvieran presentes cuando el Universo, ahora de 14 mil millones de años, tenía "solo" 800 millones de años? Para los astrofísicos, la formación de estos monstruos cósmicos en tan poco tiempo es un verdadero dolor de cabeza científico, lo que plantea importantes preguntas sobre el conocimiento actual del desarrollo de estos cuerpos celestes.

Un artículo reciente publicado en The Astrophysical Journal, por el SISSA Ph.D., el estudiante Lumen Boco y su supervisor Andrea Lapi, ofrecen una posible explicación al tema espinoso. Gracias a un modelo original teorizado por los científicos de Trieste, el estudio propone un proceso de formación muy rápido en las fases iniciales del desarrollo de agujeros negros supermasivos, que hasta ahora se consideraban más lentos. Demostrando matemáticamente que su existencia era posible en el Universo joven, los resultados de la investigación concilian el tiempo requerido para su crecimiento con los límites impuestos por la era del Cosmos. La teoría se puede validar por completo gracias a los futuros detectores de ondas gravitacionales, a saber, el Telescopio Einstein y LISA, pero se ha probado en varios aspectos básicos también con el sistema avanzado LIGO/Virgo actual.

El monstruo cósmico que crece en el centro de las galaxias.

Los científicos comenzaron su estudio con una evidencia observacional bien conocida: el crecimiento de agujeros negros supermasivos ocurre en las regiones centrales de las galaxias, progenitoras de las galaxias elípticas actuales, que tenían un contenido de gas muy alto y en las que la formación estelar era extremadamente intenso "Las estrellas más grandes viven poco tiempo y evolucionan muy rápidamente en agujeros negros estelares, tan grandes como varias decenas de masas solares; son pequeñas, pero muchas se forman en estas galaxias". El gas denso que los rodea, explican Boco y Lapi, tiene un efecto definitivo muy poderoso de fricción dinámica y hace que migren muy rápidamente al centro de la galaxia. La mayoría de los numerosos agujeros negros que alcanzan las regiones centrales se fusionan, creando la semilla del agujero negro supermasivo.

Boco y Lapi continúan: "Según las teorías clásicas, un agujero negro supermasivo crece en el centro de una galaxia capturando la materia circundante, principalmente gas," creciendo "sobre sí misma y finalmente devorándola a un ritmo que es proporcional a su masa. Por esta razón, durante las fases iniciales de su desarrollo, cuando la masa del agujero negro es pequeña, el crecimiento es muy lento, en la medida en que, según los cálculos, para alcanzar la masa observada, miles de millones de veces la del Sol, se requeriría mucho tiempo, incluso más que la edad del joven universo". Sin embargo, su estudio mostró que las cosas podrían ir mucho más rápido que eso.

La loca carrera de los agujeros negros: lo que los científicos han descubierto

"Nuestros cálculos numéricos muestran que el proceso de migración dinámica y fusión de los agujeros negros estelares puede hacer que la semilla del agujero negro supermasivo alcance una masa de entre 10.000 y 100.000 veces la del Sol en solo 50-100 millones de años". En este punto, dicen los investigadores, "el crecimiento del agujero negro central de acuerdo con la acumulación directa de gas mencionada anteriormente, previsto por la teoría estándar, será muy rápido, porque la cantidad de gas que logrará atraer y absorber se convertirá inmenso, y predominante en el proceso que proponemos. Sin embargo, precisamente el hecho de comenzar a partir de una semilla tan grande como la prevista por nuestro mecanismo acelera el crecimiento global del agujero negro supermasivo y permite su formación, también en el Universo Joven. a la luz de esta teoría, los agujeros negros supermasivos ya podrían poblar el Cosmos".

"Mirando" las semillas del agujero negro supermasivo crecen

El artículo, además de ilustrar el modelo y demostrar su eficacia, también propone un método para probarlo: "La fusión de numerosos agujeros negros estelares con la semilla del agujero negro supermasivo en el centro producirá ondas gravitacionales que esperamos ver y estudiar. con detectores actuales y futuros ", explican los investigadores. En particular, las ondas gravitacionales emitidas en las fases iniciales, cuando la semilla del agujero negro central aún es pequeña, serán identificables por los detectores actuales como Advanced LIGO/Virgo y completamente caracterizable por el futuro Telescopio Einstein. Las posteriores fases de desarrollo del agujero negro supermasivo podrían investigarse gracias al futuro detector LISA, que se lanzará en el espacio alrededor de 2034. De esta manera, explican Boco y Lapi".

"Esta investigación" concluye Andrea Lapi, coordinadora del grupo de Astrofísica y Cosmología de SISSA, "muestra cómo los estudiantes e investigadores de nuestro grupo se están acercando por completo a la nueva frontera de las ondas gravitacionales y la astronomía multi-mensajera. En particular, nuestro objetivo principal será se trata de desarrollar modelos teóricos, como el ideado en este caso, que sirven para capitalizar la información que se origina en los experimentos de ondas gravitacionales actuales y futuras, con la esperanza de proporcionar soluciones para problemas no resueltos relacionados con la astrofísica, la cosmología y la física fundamental".

Más información: L. Boco et al, Crecimiento de semillas de agujero negro supermasivo en progenitores ETG formadores de estrellas: fusión múltiple de remanentes estelares compactos a través de la fricción dinámica gaseosa y la emisión de ondas gravitacionales, The Astrophysical Journal (2020). DOI: 10.3847/1538-4357/ab7446