Monstruos en la oscuridad: primera detección de un candidato a agujero negro de colapso directo

Título del artículo: First Identification of Direct Collapse Black Hole Candidates in the Early Universe in CANDELS/GOODS-S
Autores: Fabio Pacucci, Andrea Ferrara, Andrea Grazian, Fabrizio Fiore, Emanuele Giallongo, Simonetta Puccetti
Institución del primer autor: Scuola Normale Superiore, Italy
Estado: Publicado in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Marzo de 2016
Astrobite original: Monsters in the Dark: First Detection of a Direct Collapse Black Hole Candidate por  Christopher Lovell

Los monstruos

Los agujeros negros, esos extraños objetos en los cuales el espacio y el tiempo colapsan, nunca han sido observados directamente: intentar ver algo de lo cuál la luz no puede escapar es un poco insensato (aunque emiten otros tipos de radiación que podríamos haber visto). En todo caso, los astrónomos pueden ver los efectos que estos objetos tienen en sus alrededores, e inferir su presencia. Por ejemplo, observaciones de las estrellas en el centro de nuestra galaxia sugieren que están orbitando algo enorme, pero no podemos ver nada ahí; el único candidato razonable es un agujero negro supermasivo.

El problema

Tales agujeros negros gigantes han sido observados en los centros de casi todas las galaxias y algunos de ellos pueden ponerse muy hambrientos, devorando gas cercano y escupiéndolo en grandes chorros. Estos agujeros negros activos se conocen como cuásares, y son algunos de los objetos más brillantes del cielo. Podemos observarlos tan lejos como unos 700 millones de años tras el Big Bang (el Universo tiene 13.7 mil millones de años, así que ésta es realmente una época temprana en la historia del Universo). Que existiesen agujeros negros tan grandes y tan pronto tras el Big Bang es muy controversial: se argumenta que son demasiado grandes.

La controversia se centra en cómo los astrónomos creen que estos agujeros negros gigantes se formaron. Una teoría sugiere que los agujeros negros “semilla” que se formaron no mucho después del Big Bang, crecieron lentamente acretando gas, hasta transformarse en los gigantes que vemos como cuásares. Desafortunadamente, no hubo tiempo suficiente para que esos pequeños agujeros negros ganaran la suficiente masa. Otra teoría sugiere que las primeras estrellas, verdaderas gigantes con masas de cientos de veces la de nuestro Sol, explotaron muy rápidamente como supernovas y colapsaron en grandes agujeros negros. Pero de nuevo, no son lo suficientemente grandes.

Figura 1: Espectro observado de la luz de tres objetos en el catálogo, una galaxia (en verde), un núcleo galáctico activo (AGN, en azul, también conocido como cuásar) y un candidato a agujero negro de colapso directo (en rojo) junto al espectro teórico predicho por las simulaciones (negro). La cercana concordancia entre el espectro simulado en negro y el candidato en rojo lleva a los autores a creer que éste podría ser un agujero negro de colapso directo.

¿Una solución? 

Esto llevó a los teóricos a idear una nueva explicación: agujeros negros de colapso directo. Si las condiciones en el Universo temprano, antes de las primeras estrellas y galaxias fueron las adecuadas, grandes nubes de gas podrían haber colapsado sin fragmentarse, directamente en agujeros negros gigantes. Estos podrían ser lo suficientemente grandes para crecer y convertirse en los cuásares que observamos luego.  ¡Una solución elegante! (Ver el siguiente astrobite para más detalles sobre cómo ocurre éste colapso). Si la teoría es correcta, entonces potencialmente podríamos ver la luz de estos agujeros negros monstruosos en el centro de las nubes gigantes. Éste es el tema del artículo de hoy. Los autores hacen simulaciones de un agujero negro gigante en el centro de una nube de gas, y las usan para predecir qué tipo de radiación emitiría dicho objeto, y cómo se vería para nosotros observándolo desde la Tierra hoy.

El gas que colapsa para formar el agujero negro es impoluto, con lo que queremos decir que casi no tiene elementos pesados (mayores que el hidrógeno o el helio), conocidos por los astrónomos como “metales”. Los metales sólo pueden formarse en las estrellas, y dado que el colapso directo de agujeros negros ocurre antes que las primeras estrellas, no hay ningún metal disponible. La radiación emitida por el agujero negro conforme devora el gas cercano viajará a través de este gas impoluto, y dejará señales en la luz. Son éstas señales, modeladas usando simulaciones, las que los autores buscan en observaciones reales (ver figura 1 para un ejemplo del artículo).

Cazando monstruos

Los autores empiezan buscando objetos  en el campo GOODS-S, un trozo del cielo estudiado por muchos observatorios diferentes en un número de diferentes longitudes de onda. Reducen la búsqueda incluyendo sólo objetos que tengan las mismas características en su luz emitida que aquellos que simularon. También excluyen objetos que no pertenecen al Universo temprano (por debajo de redshift 6). Finalmente, excluyen objetos sin una señal de rayos X fuerte; los agujeros negros supermasivos en el universo cercano emiten rayos X, así que es razonable asumir que estos agujeros negros tempranos harían lo mismo. Tras éste filtrado, terminan con dos candidatos, mostrados en la figura 2. En palabras de los autores, “Éstos objetos representan la más rigurosa identificación observacional de candidatos a semillas de agujeros negros, probablemente formados como agujeros negros de colapso directo, obtenidos hasta ahora”.

Figura 2: Los dos candidatos a agujeros negros de colapso directo en el campo GOOD-S. La imagen de fondo es en el infrarrojo cercano, los contornos verdes muestran la emisión en rayos X. 29323 tiene un redshift de 6.06, mientras que 33160 está a 9.73, sólo 500 millones de años tras el Big Bang.

¡Interesante material! Pero hay algunas advertencias, en las que los autores son francos. Para comenzar, ellos no modelan realmente el colapso inicial del agujero negro, y cómo esto ocurre es aún incierto. Además asumen que la nube de gas es esférica, que el agujero negro se come el gas muy eficientemente, que no hay absolutamente ninguna formación estelar cercana, y que las edades que estiman para cada objeto son precisas, lo cuál no es necesariamente el caso (medir las edades de objetos tan distantes es notablemente difícil).

Así que hay trabajo por hacer. Pero de ser cierto, el descubrimiento resolverá un viejo problema de la astrofísica del Universo temprano, y abrirá un nuevo mundo de preguntas sobre cómo tales objetos evolucionan, y su conexión con las galaxias posteriores.