El universo temprano impulsó el crecimiento de agujeros negros, pero no a largo plazo

En el corazón de la Vía Láctea, a solo 27,000 años luz de la Tierra, se encuentra un agujero negro supermasivo con una masa de más de 4 millones de soles. Casi todas las galaxias albergan un agujero negro de este tipo, y muchos son aún más masivos. Por ejemplo, el agujero negro en la galaxia elíptica M87 tiene una masa de 6.5 mil millones de soles, mientras que los agujeros negros más grandes superan los 40 mil millones de masas solares. Aunque sabemos que estos monstruos cósmicos existen, la pregunta sobre cómo se formaron sigue siendo un enigma.

Una de las teorías sugiere que los agujeros negros supermasivos se forman a lo largo del tiempo mediante fusiones. Debido a la materia oscura y la energía oscura, las galaxias se agrupan en cúmulos separados por vacíos. Con el tiempo, estos vacíos se expanden mientras que las galaxias se agrupan y eventualmente se fusionan. Los agujeros negros dentro de estas galaxias también se fusionan, formando los objetos supermasivos que observamos hoy.

Sin embargo, este proceso lleva tiempo. Si este modelo es correcto, las galaxias más distantes deberían tener agujeros negros más pequeños, de millones de masas solares, y solo deberíamos ver los gigantes de mil millones de masas solares en el universo cercano. No obstante, observaciones del Telescopio Espacial James Webb revelaron que los agujeros negros supermasivos en muchas de las galaxias más distantes son enormes. Agujeros negros con una masa de más de mil millones de soles ya existían cuando el universo tenía apenas medio mil millones de años. Estos jóvenes gigantes son demasiado masivos para ser explicados por fusiones, lo que desafía las explicaciones convencionales.

La razón detrás de esto radica en el Límite de Eddington. A medida que la materia es atraída hacia un agujero negro, se convierte en un plasma supercalentado y de alta presión. Esto empuja a la materia más distante lejos del agujero negro, ralentizando su tasa de crecimiento. El Límite de Eddington es la tasa máxima a la que un agujero negro puede crecer, y esta tasa no es suficiente para explicar todos los gigantescos agujeros negros que observamos en el cosmos temprano.

Sin embargo, el periodo más temprano del universo es muy diferente al universo actual. ¿Y si el Límite de Eddington no se aplicara en ese entonces? Esta es la pregunta que se examinó en un reciente artículo en el servidor de preprints arXiv. Los autores crearon modelos hidrodinámicos sofisticados para analizar la formación de agujeros negros durante la edad oscura cósmica.

Este periodo se sitúa después de que los electrones y núcleos se enfriaron para formar átomos, pero antes de la reionización, cuando se formaron las primeras estrellas y reavivaron el cosmos con luz. Sabemos que durante este periodo comenzaron a formarse galaxias, por lo que es razonable suponer que también se formaron agujeros negros supermasivos.

Según sus simulaciones, los autores encontraron que existe un periodo super-Eddington. Hay regiones lo suficientemente densas donde el material supercalentado cerca de un agujero negro no puede despejar la zona. Esto permitió que los agujeros negros tempranos crecieran a una tasa más rápida de lo posible hoy, pero solo hasta aproximadamente 10,000 masas solares.

De acuerdo con las simulaciones, después de eso, el bucle de retroalimentación de Eddington se activa y la tasa de crecimiento se limita nuevamente. El equipo también descubrió que este crecimiento super-Eddington no ayuda mucho a largo plazo. Eventualmente, incluso los agujeros negros que siempre crecen a un ritmo sub-Eddington alcanzarán la misma masa. El velocista olímpico Usain Bolt puede ser el humano más rápido del mundo, pero el maratonista Eliud Kipchoge lo superará en una carrera más larga.

Este estudio sugiere fuertemente que el crecimiento super-Eddington no puede explicar todos los agujeros negros de mil millones de masas solares que vemos en el universo temprano. Dado que las fusiones galácticas tampoco pueden justificarlos, este trabajo apunta hacia otra solución: agujeros negros de masa semilla que se formaron muy temprano, quizás incluso durante el periodo inflacionario poco después del Big Bang.