Algunos agujeros negros supermasivos pueden contener rastros del Big Bang

Los agujeros negros más grandes del universo se formaron sorprendentemente rápido, cuando el cosmos tenía menos de mil millones de años. Eso fue tan temprano que estos agujeros negros pueden no haberse formado a partir de la muerte de estrellas masivas como han propuesto algunas teorías, sino que pueden haberse originado en el primer segundo del Big Bang.

Para probar esta posibilidad, un equipo de astrofísicos ha propuesto una idea radical: los elementos alrededor de estos agujeros negros gigantes pueden ser sutilmente diferentes del promedio cósmico, conservando un recuerdo reliquia del universo joven.

Muy grande para fallar

Como sugiere el nombre, los agujeros negros supermasivos (SMBH) son gigantes. Los más pequeños son millones de veces más masivos que el sol, y los más grandes, que se encuentran en los centros de galaxias enormes, alcanzan cientos de miles de millones de masas solares. Encontrar agujeros negros tan gigantes en el universo moderno no es una gran sorpresa, ya que esos agujeros negros han tenido miles de millones de años para atiborrarse de gas y polvo (y otros agujeros negros).

Pero recientemente, los astrónomos han comenzado a detectar SMBH en el universo temprano. Ya conocemos más de 200 SMBH que existían cuando el universo tenía menos de mil millones de años y un SMBH que se formó cuando el universo tenía menos de 700 millones de años.

Eso significa que se formaron rápido. Demasiado rapido. Entendemos cómo se forman los agujeros negros en la era actual. Cuando una estrella gigante muere, deja un agujero negro de hasta unas pocas docenas de veces la masa del sol. Ese agujero negro se alimenta de su material circundante, encuentra otros agujeros negros y se fusiona con ellos, y si tiene suerte, eventualmente gana el estatus de supermasivo.

El problema es que estos procesos llevan tiempo. Cuando el universo tenía menos de mil millones de años, las primeras estrellas y galaxias apenas comenzaban a formarse. Generar SMBH en el escaso tiempo requerido amplía los límites de los procesos astrofísicos conocidos.

Un origen primordial

Entonces, tal vez las SMBH en el universo no se originaron a partir de procesos astrofísicos normales, como la muerte de estrellas y una dieta constante de gas. Quizás estos agujeros negros gigantes se originaron en los primeros momentos trascendentales del Big Bang.

El universo primitivo era un lugar extremo. Las densidades y presiones eran lo suficientemente altas como para fusionar las fuerzas fundamentales de la naturaleza en campos unificados. En los primeros segundos, hacía demasiado calor para que los protones y neutrones se congelaran antes de romperse. En esos tiempos tumultuosos, pudo haber sido posible que aparecieran espontáneamente contrastes de densidad extremos. Y donde hay contrastes de densidad extremos, donde una gran cantidad de masa se acumula en un volumen muy pequeño, se pueden formar agujeros negros.

Estos son los llamados agujeros negros primordiales, que se cree que posiblemente se formaron a través de interacciones exóticas en el Big Bang. Los astrónomos han pasado décadas buscándolos, especialmente a través de sondas como el fondo cósmico de microondas, la luz que quedó de cuando el universo tenía 380.000 años. Todas esas búsquedas han resultado vacías, descartando casi todos los modelos de formación primordial de agujeros negros.

La palabra clave es «casi». Las observaciones permiten potencialmente una clase de agujero negro primordial: agujeros negros con aproximadamente 100.000 veces la masa del sol que se formaron en el primer segundo del Big Bang. Esos agujeros negros devorarían rápidamente cualquier materia circundante, atiborrándose hasta convertirse en las SMBH que observamos en el joven cosmos.

Pero, ¿cómo podemos distinguir entre los agujeros negros gigantes astrofísicos y los primordiales?

Algo sabe raro

La respuesta propone un equipo de astrofísicos en un artículo publicado en el servidor de preimpresión arXiv , es mirar fijamente los agujeros negros con mucha, mucha atención.

El truco es que los agujeros negros primordiales no se quedaron ahí en el universo infantil, ocupándose de sus propios asuntos; interactuaron y afectaron su entorno. Así es como podemos descartar muchos modelos, porque alterarían tanto el plasma caliente del Big Bang que sesgarían nuestras observaciones.

Los agujeros negros primordiales con masas de 100.000 soles tendrían, irónicamente, un efecto mucho más sutil. No habría suficientes de ellos para alterar seriamente la física del universo primitivo, por lo que sobrevivirían en gran parte sin ser detectados. Pero una época importante vendría solo unos minutos después de su formación: la era de la nucleo síntesis, cuando los primeros elementos ligeros se formaron a partir de la sopa caliente y densa del Big Bang.

Los físicos comprenden esta era muy bien, porque sigue los mismos tipos de física que los reactores nucleares y las bombas atómicas. Los agujeros negros primordiales no interrumpirían totalmente este proceso, dejando la cantidad de hidrógeno y helio prácticamente igual en todo el cosmos, pero influirían en su entorno. Los procesos nucleares cambiarían cerca de los agujeros negros debido a su extrema gravedad, alterando ligeramente la mezcla de elementos resultante.

Si el gas que rodea esos agujeros negros pudiera mantener un recuerdo de esa era, el material que observamos alrededor de las SMBH tendría una composición diferente a la media cósmica. Por ejemplo, los autores del nuevo artículo descubrieron que los agujeros negros primordiales podrían aumentar la cantidad de helio en aproximadamente un 10% y reducir la cantidad de litio en aproximadamente un 10%.

Los autores admiten que observar esta diferencia sería un desafío, pero enfatizan que instrumentos como el telescopio espacial James Webb de la NASA, que pronto se lanzará, podrían estar a la altura de la tarea. La observación de esta huella dactilar elemental podría no solo revelar los orígenes de las SMBH en sí mismas, sino también brindar a los astrónomos una ventana invaluable a los primeros momentos del Big Bang.