Uno de los grandes retos de la astronomía moderna está en descifrar cómo diablos surgieron los primeros agujeros supermasivos poco tiempo después del big bang. Para responder a esta pregunta, los científicos se han fijado en los brillantes cuásares, y han llegado a la conclusión de que lo lograron desafiando las leyes de la física.
Descubiertos por primera vez a finales de los años cincuenta del siglo pasado con la ayuda de los radiotelescopios, los cuásares sobresalen por ser uno de los objetos más brillantes y energéticos del universo. Moran en el centro de galaxias muy lejanas y se sabe que están alimentados por agujeros negros supermasivos.
«Los cuásares son importantes para la astrofísica porque, debido a su brillo, destacan a grandes distancias, y, por tanto, actúan como faros que muestran las épocas más tempranas de la historia del universo».
Jonny Pierce, astrofísico de la Universidad de Hertfordshire, en el Reino Unido.
En efecto, los cuásares pueden brillar tanto como un billón de estrellas concentradas en un volumen del tamaño del Sistema Solar.
En un artículo recientemente publicado en la revista Astronomy & Astrophysics, un equipo de científicos aporta nuevas pruebas que sugieren cómo los agujeros negros supermasivos, con masas de varios miles de millones de veces la de nuestro sol, se formaron tan rápidamente, en menos de mil millones de años tras el big bang.
Veintiún cuásares, a examen
Recordemos que el big bang —o gran explosión—es el modelo cosmológico que describe el origen y la expansión del universo. Según esta teoría, el cosmos comenzó hace aproximadamente 13.800 millones de años a partir de un estado extremadamente caliente y denso del que surgieron la materia, el espacio y el tiempo, y ha estado expandiéndose desde entonces. Esta expansión aún continúa hoy en día.
El estudio, dirigido por investigadores del Instituto Nacional de Astrofísica (INAF), en Italia, analiza una muestra de veintiún cuásares —entre ellos se encuentran los más distantes jamás descubiertos— que han sido observados en la banda de rayos X por los telescopios espaciales XMM-Newton, de la ESA, y Chandra, de la NASA.
Con el primero, se llevaron a cabo unas setecientas horas de observaciones de los cuásares, bajo la dirección de Luca Zappacosta, investigador del INAF que forma parte del proyecto HYPERION. «En esta iniciativa nos centramos en dos factores clave. Por un lado, en la cuidadosa selección de los cuásares a observar. Elegimos los titanes, es decir, aquellos que habían acumulado la mayor masa posible».
Agujeros negros que crecieron de forma rápida e intensa
Por el otro lado, pusieron el foco en conocer en profundidad las propiedades en rayos X de los cuásares, algo, que según Zappacosta, nunca se había intentado antes en un número tan elevado de objetos ubicados en los albores del cosmos.
«¡Nos ha tocado el gordo! Los resultados que estamos obteniendo son realmente inesperados», confiesa este astrofísico en la nota de prensa emitida por el INAF.
Su alegría no es para menos. El desenlace de la investigación sugiere que los agujeros negros supermasivos ubicados en el centro de estos titánicos cuásares, los primeros que se formaron durante el amanecer cósmico, pueden haber alcanzado sus extraordinarias masas mediante una acreción muy rápida e intensa.
Hay que decir que la acreción es un fenómeno por el cual un objeto masivo, como un planeta, una estrella o mismamente un agujero negro, atrae y acumula material de su entorno. Este material puede ser gas, polvo e incluso estrellas. A medida que el material se acerca al objeto masivo, se calienta y se acelera, debido a la interacción gravitatoria, y puede formar un disco de acreción a su alrededor.
Los cuásares más lejanos están a 13.000 millones de años luz
En el caso de un agujero negro, el material que cae hacia él se mueve en espiral y se calienta a temperaturas extremadamente altas, de este modo, llega a emitir radiación en forma de luz visible, rayos X o rayos gamma. Este proceso de acreción es responsable de fenómenos como los cuásares y las fuentes de rayos X en el universo.
Un fenómeno de acrecimiento desenfrenado podría explicar de manera plausible la existencia de agujeros negros supermasivos en las primeras etapas del universo.
Como ya se ha avanzado, los cuásares son galaxias activas impulsadas por sus agujeros negros supermasivos centrales —conocidos como núcleos galácticos activos—, que emiten una enorme cantidad de energía al atraer materia. Son extremadamente luminosos y distantes de nosotros: el más cercano a la Tierra está 240 megapársecs, o sea, a unos 780 millones de años luz; y el más lejano, a 6 gigapársecs, unos 13.000 millones de años luz.
Vientos de materia a miles de kilómetros por segundo
En concreto, los cuásares examinados por los científicos del INAF se cuentan entre los objetos más remotos jamás observados, y se remontan a una época en la que el universo tenía menos de mil millones de años.
El análisis de las emisiones de rayos X de estos remotos objetos reveló un comportamiento totalmente inesperado de los agujeros negros supermasivos que prosperan en sus centros: surgió una conexión entre la forma de la emisión de rayos X y la velocidad de los vientos de materia expulsados por los cuásares.
Esta relación vincula la velocidad del viento, que puede alcanzar miles de kilómetros por segundo, con la temperatura del gas de la corona, la región que emite rayos X más cercana al agujero negro. Así, la corona resultó estar conectada a los potentes mecanismos de acreción del propio agujero negro.
Superado el límite de Eddington
Los cuásares con emisión de rayos X de baja energía —y por tanto con una temperatura menor en la corona— muestran vientos más furiosos. Esto indica una fase de crecimiento muy veloz que, según los autores del estudio, supera una frontera física para la acreción de materia llamada límite de Eddington. De ahí que a esta etapa desfasada se denomine súper-Eddington.
Por el contrario, los cuásares con emisiones de rayos X de mayor energía tienden a mostrar vientos más reposados.
«Nuestro trabajo sugiere que los agujeros negros supermasivos en el centro de los primeros cuásares formados en los primeros mil millones de años de vida del universo pueden haber aumentado su masa muy rápidamente, desafiando los límites de la física», afirma Alessia Tortosa, autora principal del estudio e investigadora del INAF en Roma.
En palabras de esta astrofísica, «el descubrimiento de esta conexión entre la emisión de rayos X y los vientos es crucial para entender cómo pudieron formarse agujeros negros tan grandes en tan poco tiempo. El hallazgo proporciona así una pista concreta para resolver uno de los mayores misterios de la astrofísica moderna».
Desentrañar cómo se encienden los cuásares, especialmente los más lejanos, resulta clave para entender cómo y cuándo se han formado los 100.000 millones de galaxias que pueblan el cosmos, ya que ambos objetos están íntimamente ligados. Basta con pensar que los cuásares tienen un impacto enorme sobre el gas y las estrellas de las galaxias que los albergan.
