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El misterioso origen de los agujeros negros supermasivos (parte 1)

Los lectores de astrobitos ya deben estar familiarizados con una idea importante: prácticamente todas las galaxias tienen en su centro un gigantesco agujero negro supermasivo (10⁶ a 10⁹ masas solares). Aunque hay unas pocas excepciones conocidas, en general se acepta que esto es así, pues la evidencia es aplastante (ver figura 1). Sin embargo, un problema aún no resuelto es el origen de estos agujeros negros supermasivos (SMBHs, por sus siglas en inglés). ¿Cómo es posible que unos objetos con masas tan monstruosas hayan podido formarse?  El misterio se hizo mucho más interesante cuando se observó hace más de diez años que ya existían SMBHs con masas tan grandes como 10⁹ masas solares, apenas unos 700 millones de años tras el big bang. Los modelos de evolución galáctica no eran capaces de explicar cómo habían podido acumular una masa tan enorme en tan poco tiempo.

Figura 1: Imágenes del telescopio espacial Hubble (HST, por sus siglas en inglés) que muestran galaxias cuyos núcleos emiten una enorme cantidad de radiación (llamados núcleos galácticos activos, o AGN por sus siglas en inglés), que solo puede ser producida por material cayendo hacia un agujero negro supermasivo (SMBH). En este caso vemos algunos ejemplos de los AGN más luminosos, llamados cuásares. Créditos: en la imagen.

El artículo que analizamos hoy es en realidad una revisión breve de las hipótesis que se manejan para la formación de estos SMBHs, en el contexto de las galaxias enanas.  Para entender la importancia de estas galaxias de baja masa, debemos entender cómo se forman las galaxias en general. El paradigma reinante hoy en día es el llamado modelo jerárquico de la formación de galaxias. Éste dice que primero se formaron galaxias de baja masa (enanas), que por su gravedad fueron atrayéndose unas a otras, fusionándose y formando objetos más grandes. A su vez, estas nuevas galaxias más masivas, con su gravedad cada vez más poderosa fueron atrayendo y asimilando más galaxias enanas, hasta llegar a los enormes tamaños y masas que vemos en las grandes galaxias hoy en día (ver figura 2). Esto aún se puede ver incluso en nuestra propia galaxia, que sigue canibalizando a algunas de sus galaxias satélites. En este contexto, se esperaría que en la actualidad, una gran parte de las galaxias hayan crecido o sido asimiladas por otras mayores, de forma que si vemos galaxias enanas, éstas deben haber sido afectadas muy poco por todo este proceso, y deben parecerse mucho en sus propiedades a las que tenían las  que dieron origen a las grandes galaxias actuales.

Figura 2: Representación de la formación de galaxias según el modelo jerárquico. De arriba abajo empezamos con las galaxias enanas de baja masa, que se van fusionando entre ellas, formando galaxias cada vez más masivas, hasta llegar a las grandes galaxias que vemos hoy en día. Crédito: ESO/L. Calçada

A su vez, se cree que los SMBHs actuales deben haberse formado por procesos similares, fusionándose entre sí y alimentándose de gas y estrellas, lo que ocurriría muy eficientemente en las fusiones de galaxias. Los agujeros negros que se encuentren en el centro de galaxias enanas, por tanto, tampoco han podido fusionarse con los de otras galaxias ni consumir su gas y estrellas, por lo que tampoco son tan masivos. Esto implica que son los descendientes directos de los llamados agujeros negros semilla que dieron origen a los SMBH, y que únicamente crecieron acretando gas y estrellas de su propia galaxia enana. Es por esto que se espera que los agujeros negros presentes en las galaxias enanas también puedan darnos pistas sobre los primeros agujeros negros del universo y de cómo crecieron hasta convertirse en los SMBHs que vemos en las grandes galaxias. Son considerados agujeros negros de masa intermedia (IMBHs, por sus siglas en inglés) con masas menores a 10⁶ masas solares.

Mecanismos

Hay algunas hipótesis propuestas para la formación y evolución de estos agujeros negros, pero todas se basan en la idea de que los primeros agujeros negros, llamados semilla (no confundir con los agujeros negros primordiales), debían tener masas en el rango de cien a cien mil masas solares. El mecanismo mejor conocido y observado hoy en día para la formación de agujeros negros, es a partir de estrellas masivas (de más de 8 masas solares), cuando sus núcleos colapsan al final de sus vidas en una explosión de supernova. El problema es que con las masas de las estrellas que se han observado, no pueden nacer agujeros negros que superen por mucho una decena o dos de masas solares (llamados agujeros negros de masa estelar), por lo que no pueden ser los buscados agujeros negros semilla. A continuación te describimos brevemente las principales hipótesis para poder explicarlos:

Estrellas de población III: Como ya hemos mencionado en astrobitos anteriores, tras el big bang la materia del universo estaba formada por hidrógeno y helio (con minúsculas trazas de litio), pues los demás elementos solo podrían formarse en el interior de las estrellas, las cuales no existían todavía. Debido a la ausencia de elementos más pesados que el helio, las primeras estrellas que se formaron a partir de las nubes de gas primigenio (que los astrónomos llaman estrellas de “población III“), podían alcanzar masas y tamaños mucho mayores que los que pueden alcanzar las estrellas actuales. Esta hipotética primera generación de estrellas (pues ¿nunca? han sido observadas) podrían ser lo suficientemente masivas para, al acabar sus vidas como supernovas, formar agujeros negros con las masas necesarias para ser las semillas de los IMBHs y SMBHs.

Fusiones de estrellas en cúmulos estelares: En algunos cúmulos de estrellas, especialmente en los cúmulos globulares, la cantidad de estrellas es tan grande y las distancias entre ellas es tan pequeña, que los choques entre estrellas pueden llegar a ser bastante comunes. Producto de estos choques en los cúmulos de estrellas de segunda generación (llamadas  de “población II”, mucho menos masivas que las de población III) se pudieron haber formado nuevas estrellas muy masivas, y alcanzar la masa necesaria para producir un agujero negro semilla. También de esta forma pueden fusionarse agujeros negros de masa estelar, formados a partir de las estrellas más masivas del cúmulo, e ir creciendo de esta forma. Este podría ser el caso de las fusiones de agujeros negros detectadas con ondas gravitacionales, que tienen decenas de masas solares.

Colapso directo: Nubes de gas muy masivas del universo primigenio colapsarían bajo su propia gravedad directamente en agujeros negros, sin pasar por la fase de estrellas. Es una idea que ha ido tomando fuerza en los últimos años, y precisamente las galaxias enanas (entre otras cosas), han ayudado a reforzarla, pues los IMBHs presentes en ellas están dentro de los límites de masa que las simulaciones predicen que tendrían si sus semillas se hubiesen formado mediante este mecanismo. Sin embargo no existe aún evidencia suficiente para asegurar que estos IMBHs sean descendientes de los agujeros  negros semilla.

En la segunda parte de este astrobito veremos cómo la evolución de las galaxias enanas podría no ser tan simple como se pensaba, y ahondaremos en el debate de si los IMBHs son realmente o no descendientes directos de los agujeros negros semilla.

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