Explicación al misterio de los agujeros negros en el universo temprano

Astrofísicos de la UCLA han encontrado una explicación al misterio de los agujeros negros supermasivos descubiertos por el telescopio espacial Webb cerca del comienzo mismo de los tiempos. Estos agujeros negros gigantescos pueden formarse a partir de agujeros negros más pequeños por acreción de gas y estrellas, y por fusiones con otros agujeros negros, que tardan miles de millones de años. La nueva investigación, publicada en la revista Physical Review Letters, explica una aparición tempranda de estos agujeros negros planteando que la materia oscura impidió que el hidrógeno se enfriara lo suficiente para que la gravedad lo condensara en nubes lo suficientemente grandes y densas como para convertirse en agujeros negros en lugar de estrellas. "Qué sorprendente ha sido encontrar un agujero negro supermasivo con mil millones de masas solares cuando el universo en sí tiene solo 500 millones de años", dijo en un comunicado el autor principal Alexander Kusenko, profesor de física y astronomía en la UCLA (Universidad de California en Los Ángeles). "Es como encontrar un automóvil moderno entre huesos de dinosaurio y preguntarse quién construyó ese automóvil en tiempos prehistóricos". Algunos astrofísicos han postulado que una gran nube de gas podría colapsar para formar directamente un agujero negro supermasivo, evitando la larga historia de quema, acreción y fusiones estelares. Pero hay un problema: la gravedad, de hecho, unirá una gran nube de gas, pero no la convertirá en una gran nube. En cambio, reúne secciones del gas en pequeños halos que flotan cerca unos de otros pero no forman un agujero negro. La razón es que la nube de gas se enfría demasiado rápido. Mientras el gas esté caliente, su presión puede contrarrestar la gravedad. Sin embargo, si el gas se enfría, la presión disminuye y la gravedad puede prevalecer en muchas regiones pequeñas, que colapsan en objetos densos antes de que la gravedad tenga la oportunidad de atraer a toda la nube hacia un solo agujero negro. "La rapidez con la que se enfría el gas tiene mucho que ver con la cantidad de hidrógeno molecular", dijo el primer autor y estudiante de doctorado Yifan Lu. "Los átomos de hidrógeno unidos entre sí en una molécula disipan energía cuando encuentran un átomo de hidrógeno suelto. Las moléculas de hidrógeno se convierten en agentes refrigerantes a medida que absorben energía térmica y la irradian. Las nubes de hidrógeno en el universo primitivo tenían demasiado hidrógeno molecular y el gas se enfrió rápidamente y formó pequeños halos en lugar de grandes nubes". Lu y el investigador postdoctoral Zachary Picker escribieron un código para calcular todos los procesos posibles de este escenario y descubrieron que la radiación adicional puede calentar el gas y disociar las moléculas de hidrógeno, alterando la forma en que se enfría el gas. "Si se agrega radiación en un cierto rango de energía, se destruye el hidrógeno molecular y se crean condiciones que evitan la fragmentación de grandes nubes", dijo Lu. Pero, ¿de dónde proviene la radiación? Solo una porción muy pequeña de la materia en el universo es del tipo que compone nuestros cuerpos, nuestro planeta, las estrellas y todo lo demás que podemos observar. La gran mayoría de la materia, detectada por sus efectos gravitacionales sobre los objetos estelares y por la curvatura de los rayos de luz de fuentes distantes, está hecha de algunas partículas nuevas, que los científicos aún no han identificado. Las formas y propiedades de la materia oscura son, por lo tanto, un misterio que aún está por resolver. Si bien no sabemos qué es la materia oscura, los teóricos de partículas han especulado durante mucho tiempo que podría contener partículas inestables que pueden desintegrarse en fotones, las partículas de luz. La inclusión de esta materia oscura en las simulaciones proporcionó la radiación necesaria para que el gas permaneciera en una gran nube mientras colapsaba en un agujero negro. La materia oscura podría estar formada por partículas que se desintegran lentamente, o podría estar formada por más de una especie de partículas: algunas estables y otras que se desintegran en épocas tempranas. En cualquier caso, el producto de la desintegración podría ser radiación en forma de fotones, que desintegran el hidrógeno molecular y evitan que las nubes de hidrógeno se enfríen demasiado rápido. Incluso una desintegración muy leve de la materia oscura produjo suficiente radiación para evitar el enfriamiento, formando grandes nubes y, finalmente, agujeros negros supermasivos. "Esta podría ser la solución a por qué los agujeros negros supermasivos se encuentran muy pronto", dijo Picker. "Si eres optimista, también podrías leer esto como evidencia positiva de un tipo de materia oscura. Si estos agujeros negros supermasivos se formaron por el colapso de una nube de gas, tal vez la radiación adicional requerida tendría que provenir de la física desconocida del sector oscuro".