Así podrían nacer los agujeros negros supermasivos

Seguramente en alguna ocasión hayan oido hablar de agujeros negros supermasivos, o tal vez no. Independientemente, ¿cómo de grandes son estos objetos? Los agujeros negros típicos se forman a partir de una masa estelar que viene dada por el límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff que, fórmulas aparte, está estimado en un mínimo que oscila entre 1,5 y 3,0 masas solares. Por otro lado, los supermasivos pueden contener decenas de miles de masas solares, incluso se habla de miles de millones de masas solares. Mientras que los agujeros negros típicos pueden encontrarse en cualquier lugar, los supermasivos suelen habitar en el centro de grandes galaxias; en la Vía Láctea lo hay, y tiene una masa de 4 millones de veces la del Sol.

Para que se forme un agujero negro tiene que haber una evolución estelar ya que es el último estadio de una estrella. Es decir, la estrella nace a partir de una nube de gas, entra en una fase estable, luego, una vez consumido el hidrógeno, se convierte en gigante roja hasta que se desestabiliza y en ese momento, dependiendo de su masa, su final puede ser en forma de nebulosa planetaria, de supernova, o de agujero negro, por lo que generalmente deben de pasar varios miles de millones de años para que, desde el nacimiento de la estrella, se forme el agujero negro.

This artist's impression shows the dust torus around a super-massive black hole. Black holes lurk at the centres of active galaxies in environments not unlike those found in violent tornadoes on Earth. Just as in a tornado, where debris is often found spinning about the vortex, so in a black hole, a dust torus surrounds its waist. In some cases astronomers can look along the axis of the dust torus from above or from below and have a clear view of the black hole. Technically these objects are then called "type 1 sources". "Type 2 sources" lie with the dust torus edge-on as viewed from Earth so our view of the black hole is totally blocked by the dust over a range of wavelengths from the near-infrared to soft X-rays. While many dust-obscured low-power black holes (called "Seyfert 2s") were known, until recently few of their high-power counterparts were known. The identification of a population of high-power obscured black holes and the active galaxies surrounding them has been a key goal for astronomers and will lead to greater understanding and a refinement of the cosmological models describing our Universe. The European AVO science team led by Paolo Padovani from Space Telescope-European Coordinating Facility and the European Southern Observatory in Munich, Germany, has discovered a whole population of the obscured, powerful supermassive black holes. Thirty of these objects were found in the so-called GOODS (Great Observatories Origins Deep Survey) fields. The GOODS survey consists of two areas that include some of the deepest observations from space- and ground-based telescopes, including the NASA/ESA Hubble Space Telescope, and have become the best studied patches in the sky. In the illustration the jets coming out of the regions nearest the black hole are also seen. The jets emerge from an area close to the black hole where a disk of accreted material rotates (not seen here).

Impresión artística de un agujero negro supermasivo. Créditos: ESA/NASA, the AVO project and Paolo Padovani (ampliar imagen).

Pero de vez en cuando aparecen situaciones que no tienen demasiado sentido, como por ejemplo los agujeros negros supermasivos que se formaron en el universo temprano, esto es, cuando tenía unos 1.000 millones de años, un 7% de la edad actual estimada en 13.500 millones de años. Teóricamente, no hay tiempo suficiente para que se formen y durante años, los astrónomos han debatido cómo se han podido formar tan rápido. La solución a este dilema puede estar próxima debido a la observación de dos objetos que representan el posible nacimiento de sendos agujeros negros supermasivos en el universo temprano.

El equipo de astrónomos que observó estos dos objetos utilizó datos de los telescopios espaciales Chandra (NASA), Hubble (NASA/ESA) y Spitzer (NASA). Según las estimaciones, el universo tenía unos 1.000 millones de años de edad en esos momentos y la masa de estos posibles agujeros negros supermasivos es de unas 100.000 veces la del Sol. Resulta prometedor. “Si se confirma nuestro descubrimiento, podría explicar cómo nacieron esos agujeros negros monstruosos”, comenta Fabio Pacucci, de la Escuela Normal Superior de Pisa (Italia) y autor principal del artículo que expone la investigación (F. Pacucci et al., 2016, MNRAS 459 1432-1439).

This image shows one of two detected supermassive black hole seeds, OBJ29323, as it is seen by the NASA Chandra Space Telescope. The properties of the X-ray data match those predicted by models produced by the Italian research team.

Imagen del telescopio espacial Chandra que muestra uno de los dos proto agujeros negros supermasivos, llamado OBJ29323. Créditos: NASA/CXC/Scuola Normale Superiore/Pacucci (ampliar imagen).

Existen dos teorías fundamentalmente que intentan explicar la formación de agujeros negros supermasivos en el universo temprano:

1) La estrella parte con una masa inicial de entre 10 y 100 veces la del Sol, y se espera a que con el paso del tiempo colapse. Entonces, el agujero negro crece a través de fusiones con otros agujeros negros más pequeños. Sin embargo, tendrían que crecer de una manera inusualmente rápida para llegar a la masa de los agujeros negros supermasivos, y 1.000 millones de años no es tiempo suficiente.

2) Todo comienza con el colapso de una gran nube de gas que termina formando un protoagujero negro de unas 100.000 veces la masa del Sol, donde su crecimiento tiene lugar en un proceso mucho más rápido.

This artist’s impression shows a possible seed for the formation of a supermassive black hole. Two of these possible seeds were discovered by an Italian team, using three space telescopes: the NASA Chandra X-ray Observatory, the NASA/ESA Hubble Space Telescope, and the NASA Spitzer Space Telescope.

Impresión artística de un posible protoagujero negro supermasivo. Créditos: NASA/CXC/M. Weiss (ampliar imagen).

“Existe una gran controversia sobre qué camino toman estos agujeros negros y nuestro trabajo sugiere que estamos convergiendo en una respuesta donde los grandes agujeros negros comienzan a crecer con una tasa normal que luego aumenta para crecer a un ritmo muy rápido”, explica Andrea Ferrara, investigador de la Escuela Normal Superior de Pisa y coautor del artículo.

Los protoagujeros negros son muy dificiles de encontrar y confirmar su detección es muy complicado, y a pesar de que estos dos objetos coinciden con las predicciones teóricas, se necesitan más observaciones para confirmar su verdadera naturaleza y así poder distinguir totalmente entre las dos teorías de formación, o incluso descartarlas y formular la teoria correcta, por lo tanto será necesario encontrar más candidatos.

Referencias:
First Identification of Direct Collapse Black Hole Candidates in the Early Universe in CANDELS/GOODS-S (F. Pacucci et al., 2016, Montly Notices of the Royal Astronomical Society 459 1432-1439).
Supermassive Black Holes in the Early Universe (Fulvio Melia & Thomas M. McClintock, 2015, Proceedings of the Royal Society of London 471 2184)
Static Solutions of Einstein’s Field Equations for Spheres of Fluid (R.C. Tolman, 1939, Physical Review 55 364).
On Massive Neutron Cores (J. R. Oppenheimer & G. M. Volkoff, 1939, Physical Review 55 374).

Hubble finds clues to the birth of supermassive black holes.
NASA Telescopes Find Clues For How Giant Black Holes Formed So Quickly.
Discovering missing black holes: First Science from a Virtual Observatory.

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