Finalmente, parece ser que uno de los misterios sobre los primeros agujeros negros del universo ha sido resuelto: ¿Cómo crecieron tanto los primeros agujeros negros gigantes del universo? Esta pregunta parece haber sido resuelta gracias al trabajo de la astrofísica Priyamvada Natarajan, quien hizo la teoría de los Agujeros Negros de Colapso directo, que serían agujeros negros pueden formarse sin la necesidad de estrellas. Bueno, pues han salido a la luz nuevas observaciones que parecen apoyar su teoría.

¿Qué sabemos sobre los primeros agujeros negros supermasivos del universo?

Mientras investigaban los primeros capítulos de la historia del universo, los astrónomos han descubierto una gran cantidad de agujeros negros gigantes, los cuales parecen haber crecido mucho más rápido de lo que los astrónomos creían que era posible.

Es aquí donde entra Priyamvada Natarajan, una astrofísica que bien podría ser considerada como una “bióloga cósmica”, ya que se encarga de estudiar la vida de los agujeros negros, objetos tan densos que no dejan ni que la luz escape de su interior. Natarajan fue una de las primeras estudiantes de astronomía que trataron a los agujeros negros como poblaciones en lugar de como un objetivo individual. Estudió su taxonomía y su evolución general como si se tratará de un murciélago en una selva.

Ahora Natarajan trabaja como astrofísica en la Universidad de Yale, en donde continua su trabajo de investigación de estos “animales cósmicos” y actualmente ha centrado todos sus esfuerzos en comprender el origen de los agujeros negros gigantes.

Teoría de la Formación de Agujeros Negros de Colapso Directo

Hasta ahora se pensaba que los agujeros negros nacían luego de la explosión de una gran estrella y que crecían en masa al “alimentarse” de las reservas de gas cercano. Sin embargo, nuevas investigaciones en agujeros negros gigantes en el universo temprano han descubierto que en realidad hay más.

En el año 2006, Natarajan y sus colegas propusieron una nueva explicación para el nacimiento de los agujeros negros gigantes: los discos de gas podrían colapsar directamente en agujeros negros masivos sin que antes se forme una estrella. El año pasado se realizo una observación conjunta por parte del Telescopio Espacial James Webb (JWST) y el Observatorio de Rayos X Chandra, en la que se detectó un nuevo agujero negro distante y radiante, el cual parece confirmar la teoría de Natarajan.

“Definitivamente estamos hablando de un caso bastante fuerte a favor de estas semillas de agujeros negro pesados”, comenta Raffaella Schneider, astrofísica de la Universidad de Sapienza de Roma. En realidad, el hecho de que Natarajan haya propuesto esta idea, realmente termino ayudando a toda la comunidad a poder tener una visión más amplia sobre las distintas posibilidades que pueden ocurrir”.

Entrevista a Priyamvada Natarajan sobre el Origen de los Agujeros Negros Masivos

Priyamvada Natarajan tuvo una entrevista con el medio Scientific American sobre como las observaciones que se han hecho recientemente apoyan su propuesta de “agujeros negros de colapso directo” y lo que estas nos dicen sobre la ascendencia de estas criaturas cósmicas:

¿Qué fue lo que te interesó sobre el estudio de los agujeros negros y su origen?

“Siempre me han llamado la atención las entidades invisibles del universo. Es por eso que mi trabajo se ha enfocado principalmente en intentar entender a un nivel fundamental la naturaleza de los componentes oscuros del universo: la materia oscura y la energía oscura, así como a los agujeros negros.

Encuentro estos objetos cósmicos increíblemente enigmáticos y seductores. Nos sirven como un gran recordatorio de los límites de nuestro conocimiento, así como de del hecho de que existen lugares en los que se rompen las leyes que conocemos de la física.

En estas últimas décadas los agujeros negros han pasado de se un concepto puramente matemático a ser objetos reales que podemos observar. Y ahora se encuentran en el centro de nuestros esfuerzos para comprender cómo es que se forman las galaxias. El universo está lleno de agujeros negros de todos los tamaños. Son una parte muy importante de nuestro inventario cósmico, motivo por el que debemos comprender cómo se originaron y por el que su origen es una pregunta fundamental que aún está pendiente”.

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¿Qué es lo que no sabemos sobre la formación de los agujeros negros supermasivos?

“Generalmente, los agujeros negros nacen cuando las estrellas se mueren. Cuando las estrellas más masivas colapsan gravitacionalmente, el pequeño núcleo que dejan termina formando un agujero negro. Esta es la historia sobre su origen que actualmente está bien establecida.

Sin embargo, desde hace aproximadamente 20 años, tenemos la posibilidad de mirar más y más atrás en el universo gracias a misiones como Sloan Digital Sky Suvery, con las que hemos encontrado varios agujeros negros muy masivos que tienen alrededor de mil millones de veces la masa de nuestro sol y que existen desde hace uno o dos mil millones de años.

Debido al ritmo al que sabemos que se alimentan los agujeros negros, simplemente no había suficiente tiempo para que las pequeñas semillas dejadas por las primeras estrellas que colisionaron crecieran hasta convertirse en estos agujeros negros colosales. En los siguientes años, empezamos a notar que no solo se trataba de unos pocos objetos anómalos; en realidad, había una gran población de agujeros negros masivos en el universo temprano. Fue ahí donde comenzó nuestra intriga”.

Propuestas radicales y su aceptación en la comunidad científica

“Algunas personas han empezado a explorar la posibilidad de que pueda haber otras formas en que los agujeros negros puedan alimentarse mucho más rápido de lo que sabemos. Teóricamente, existen, pero aún no hemos visto indicios observacionales convincentes de esto.

Así que empecé a preguntarme, ¿y si comenzamos con semillas más grandes? Fue así como mi equipo y yo nos dimos cuenta de que, si un disco de gas es irradiado por estrellas de una galaxia cercana, esto podría eludir el proceso de formación estelar y colapsar directamente en un agujero negro. Este agujero negro de colapso directo sería mucho más grande al nacer, entre unas 1,000 y 1,000,000 veces la masa de nuestro sol. Este agujero negro podría fusionarse después con una galaxia cercana y crecer fácilmente hasta el tamaño que hemos visto.

En realidad, esta respuesta termino recibiendo una gran resistencia. Dijeron: “la física es interesante, y tiene sentido, pero ¿es este proceso lo suficientemente eficiente como para realmente ocurrir en el universo?” Antes, esas épocas del universo simplemente no eran accesibles observacionalmente. Para poder observar estas semillas iniciales formándose, teníamos que mirar hacia atrás hasta los primeros mil millones de años después de la formación del universo.

Es por este motivo que la promesa del JWST era tan tentadora; en realidad nos mantuvo motivados para poder seguir trabajando en esta teoría. Empezamos a pensar en qué signos podríamos buscar como evidencia de los agujeros negros de colapso directo, y se nos ocurrió una idea. En las galaxias cercanas, la masa de todas las estrellas generalmente es de 1,000 a 10,000 veces la masa del agujero negro central.

Pero en estos escenarios el colapso directo, durante un breve período de tiempo, la masa del agujero negro podría ser comparable a la masa de las estrellas. Esto significa que deberíamos de ver un agujero negro extremadamente brillante, el cual debería estar alimentándose activamente, que esencialmente eclipsaría a todas las estrellas de la galaxia. Si pudiéramos ver una de estas galaxias, tanto en rayos X como en luz infrarroja, podríamos ver firmas distintivas del agujero negro sobredimensionado en su centro”.

La evidencia de los agujeros negros de colapso directo

“Incluso con el JWST y el Chandra, no podemos ver lo suficientemente lejos como para presenciar directamente la formación de las semillas de agujeros negros tempranas. Pero me di cuenta de que, si la naturaleza nos favorecía, una de estas galaxias podría estar escondida detrás de una lupa: un cúmulo de galaxias rico en materia oscura que actúa como una lente gravitacional dramática.

Había estado trabajando para mapear algunas de estas lentes gravitacionales con el Telescopio Espacial Hubble, y sugerí que enfocáramos nuestros nuevos telescopios en este complejo cúmulo llamado Abell 2744. Conocía cada parte de ese mapa de materia oscura al dedillo. Tenía esperanzas, pero esto era realmente un tiro en la oscuridad.

¿Cuáles fueron los resultados?

“Y he aquí, a principios del año pasado, recibí una llamada de mi colega, el astrofísico Akos Bogdan, que había visto las observaciones de Chandra de galaxias detrás de la lente de Abell 2744. Dijo: “¿Estás sentada? Creo que encontramos algo.” Por pura coincidencia, el espectro de una galaxia coincidía increíblemente bien con las predicciones que hicimos en 2017 de una detección hipotética.

Fue asombroso. Cumple con todas las propiedades previstas. Es una evidencia muy convincente de que los agujeros negros de colapso directo se forman en el universo temprano. Esto ya no es solo una especulación.

Nuevas perspectivas sobre la formación de agujeros negros

“Ahora, todavía podrían existir otras formas de formar semillas de agujeros negros. Eso es lo que estoy investigando ahora: tratar de descubrir otros caminos y cuáles podrían ser sus firmas observacionales únicas. Abre toda una caja de Pandora de preguntas emocionantes”.

¿Cómo se sintió finalmente encontrar evidencia de tu teoría?

“Esto es exactamente lo que encuentro tan emocionante de ser astrofísico: quiero que las ideas teóricas se enfrenten a los datos observacionales. Estamos en un momento increíble en la historia en el que puedes hacer una predicción y dentro de tu vida puede ser validada o invalidada. Es precisamente por eso que la gente dice que estamos viviendo en la edad dorada de la cosmología. Estoy profundamente agradecida”.

Conclusión sobre el Descubrimiento de los Agujeros Negros de Colapso Directo

Sin duda alguna podemos decir que el trabajo de Priyamvada Natarajan y sus colegas ha transformado la visión que teníamos sobre la formación de agujeros negros supermasivos en el universo temprano. Su propuesta de agujeros negros de colapso directo, que en un inicio fue recibida con escepticismo, ahora cuenta con el respaldo de observaciones recientes hechas por telescopios avanzados como el JWST y el Chandra.

Gracias a estos descubrimientos, no solo se valida la teoría de los agujeros negros de colapso directo, sino que también han abierto las puertas a nuevas vías de investigación en la cosmología moderna. El poder entender mejor cómo se forman y evolucionan los agujeros negros tiene una gran importancia para revelar los misterios del universo y la formación de las galaxias.

Sin duda alguna el éxito de Natarajan ha demostrado la importancia que tiene combinar teorías y observaciones empíricas, destacando una naturaleza dinámica y evolutiva en la ciencia. Conforme seguimos explorando el universo con herramientas cada vez más avanzadas y sofisticadas, es posible que descubramos aún más secretos sobre estos misteriosos y fascinantes objetos cósmicos y su papel dentro del universo. En pocas palabras, podemos decir que hemos entrado en la era dorada de la cosmología, en la que cada descubrimiento nos acerca un poco más a poder comprender el origen y la evolución del universo. Los agujeros negros, que en algún momento solo fueron una teoría, se han convertido en una pieza clave para armar el rompecabezas cósmico. Además, las futuras investigaciones prometen revelar mucho más sobre su naturaleza.