Los agujeros negros del universo temprano crecieron a ritmos sorprendentes

Uno de los grandes misterios de la astronomía ha sido entender cómo los agujeros negros crecieron a tamaños tan enormes en un corto periodo de tiempo cósmico. Científicos de la Universidad de Maynooth (MU) en Irlanda reportaron un avance significativo en un nuevo estudio publicado en Nature Astronomy.

Según el equipo, la respuesta radica en las condiciones extremas y caóticas del universo temprano. "Descubrimos que estas condiciones caóticas hicieron que los agujeros negros más pequeños comenzaran a crecer hasta convertirse en los agujeros negros supermasivos que observamos más tarde, gracias a un festín de material que los rodeaba", afirmó Daxal Mehta, candidato a doctorado en el Departamento de Física de MU y autor principal del estudio.

Crecimiento rápido tras el Big Bang

Utilizando simulaciones por computadora avanzadas, los investigadores reconstruyeron el comportamiento de los primeros agujeros negros poco después de su formación. "Revelamos, mediante simulaciones de última generación, que la primera generación de agujeros negros, aquellos nacidos solo unos cientos de millones de años después del Big Bang, crecieron de manera increíblemente rápida, alcanzando tamaños decenas de miles de veces mayores que nuestro Sol", agregó Mehta.

Estos resultados ayudan a explicar observaciones desconcertantes realizadas por el Telescope James Webb, que detectó agujeros negros masivos existiendo mucho antes de lo que muchas teorías predecían.

"Este avance desbloquea uno de los grandes enigmas de la astronomía", destacó Dr. Lewis Prole, investigador postdoctoral en MU y miembro del equipo. "Se refiere a cómo los agujeros negros nacidos en el universo temprano, como los observados por el James Webb, lograron alcanzar tamaños supermasivos tan rápidamente".

Un festín de agujeros negros

Las simulaciones apuntan a que las primeras galaxias, densas y ricas en gas, fueron el motor clave de este crecimiento acelerado. En estos entornos, los agujeros negros experimentaron breves pero intensos períodos de crecimiento a través de un proceso conocido como 'acreción super Eddington'. Este fenómeno ocurre cuando un agujero negro atrae materia más rápido de lo que la física convencional sugiere que debería ser capaz de hacerlo.

Bajo condiciones normales, la radiación del material que cae empujaría el gas hacia afuera. Sin embargo, en el universo temprano, los agujeros negros continuaron alimentándose a pesar de este límite, permitiéndoles ganar masa a tasas extraordinarias.

Este proceso parece proporcionar una conexión largamente perdida entre las primeras estrellas del universo y los agujeros negros supermasivos que se observan más tarde en los centros de las galaxias.

Repensando los orígenes de los agujeros negros

"Estos pequeños agujeros negros se pensaban anteriormente demasiado pequeños para crecer hasta convertirse en los gigantescos agujeros negros que se observan en el centro de las primeras galaxias", explicó Mehta. "Lo que hemos demostrado aquí es que estos agujeros negros, aunque pequeños, son capaces de crecer de manera espectacularmente rápida, dadas las condiciones adecuadas".

Los astrónomos clasifican los agujeros negros tempranos en dos categorías generales conocidas como 'semillas pesadas' y 'semillas ligeras'. Los agujeros negros de semillas ligeras comienzan con masas relativamente modestas, que van desde aproximadamente diez hasta unos pocos cientos de veces la masa de nuestro Sol. Para convertirse en supermasivos, deben crecer drásticamente con el tiempo, alcanzando eventualmente millones de masas solares.

Por el contrario, se piensa que los agujeros negros de semillas pesadas ya nacen grandes, potencialmente pesando hasta cien mil veces la masa del Sol en el momento de su formación.

Desafiando supuestos establecidos

Hasta ahora, muchos científicos creían que solo los agujeros negros de semillas pesadas podían explicar la presencia de agujeros negros supermasivos en el universo temprano. "Ahora no estamos tan seguros", afirmó Dr. John Regan del Departamento de Física de MU y líder del grupo de investigación. "Las semillas pesadas son algo más exóticas y pueden necesitar condiciones raras para formarse. Nuestras simulaciones muestran que los agujeros negros de masa estelar 'comunes' pueden crecer a tasas extremas en el universo temprano".

Los hallazgos sugieren que el cosmos temprano fue mucho más turbulento y productivo en la formación de agujeros negros masivos de lo que se había asumido anteriormente. "El universo temprano es mucho más caótico y turbulento de lo que esperábamos, con una población mucho más grande de agujeros negros masivos de lo que anticipamos también", concluyó Regan.

Implicaciones para futuras misiones espaciales

Más allá de remodelar las teorías sobre la formación de agujeros negros, la investigación también tiene implicaciones para los próximos observatorios espaciales. En particular, podría influir en lo que los científicos esperan ver de la misión conjunta de la Agencia Espacial Europea y NASA conocida como LISA, programada para lanzarse en 2035.

"Las futuras observaciones de ondas gravitacionales de esa misión podrían detectar las fusiones de estos pequeños agujeros negros en crecimiento rápido", afirmó Regan. Tales detecciones ofrecerían una nueva forma poderosa de estudiar los agujeros negros más antiguos del universo y confirmar si estos escenarios de crecimiento rápido se desarrollaron como sugieren las simulaciones.