Hay un agujero negro supermasivo en el centro de casi todas las galaxias del Universo. ¿Como llegaron ahi? ¿Cuál es la relación entre estos monstruosos agujeros negros y las galaxias que los rodean?
Cada vez que los astrónomos miran más lejos en el Universo, descubren nuevos misterios. Estos misterios requieren todas las nuevas herramientas y técnicas para entender. Estos misterios conducen a más misterios. Lo que digo es que son tortugas misteriosas hasta el fondo.
Uno de los más fascinantes es el descubrimiento de los cuásares, la comprensión de lo que son y la revelación de un misterio aún más profundo, ¿de dónde vienen?
Como siempre, me estoy adelantando a mí mismo, así que primero, regresemos y hablemos sobre el descubrimiento de los cuásares.
En la década de 1950, los astrónomos exploraron los cielos con radiotelescopios y encontraron una clase de objetos extraños en el Universo distante. Eran muy brillantes e increíblemente lejanos; cientos de millones o incluso miles de millones de años luz de distancia. Los primeros fueron descubiertos en el espectro de radio, pero con el tiempo, los astrónomos encontraron aún más ardiente en el espectro visible.
El astrónomo Hong-Yee Chiu acuñó el término "cuásar", que significaba objeto cuasi estelar. Eran como estrellas, brillando desde una única fuente puntual, pero claramente no eran estrellas, brillando con más radiación que una galaxia entera.
A lo largo de las décadas, los astrónomos descubrieron la naturaleza de los cuásares, al enterarse de que en realidad eran agujeros negros, alimentando activamente y emitiendo radiación, a miles de millones de años luz de distancia.
Pero no eran los agujeros negros de masa estelar, que se sabía que eran de la muerte de estrellas gigantes. Estos eran agujeros negros supermasivos, con millones o incluso miles de millones de veces la masa del Sol.
Ya en la década de 1970, los astrónomos consideraron la posibilidad de que pudiera haber estos agujeros negros supermasivos en el corazón de muchas otras galaxias, incluso la Vía Láctea.
En 1974, los astrónomos descubrieron una fuente de radio en el centro de la Vía Láctea que emitía radiación. Se tituló Sagitario A *, con un asterisco que significa "emocionante", bueno, en la perspectiva de "átomos excitados".
Esto coincidiría con las emisiones de un agujero negro supermasivo que no se alimentaba activamente de material. Nuestra propia galaxia podría haber sido un quásar en el pasado o en el futuro, pero en este momento, el agujero negro estaba en su mayoría en silencio, aparte de esta radiación sutil.
Los astrónomos necesitaban estar seguros, por lo que realizaron un estudio detallado del centro de la Vía Láctea en el espectro infrarrojo, lo que les permitió ver a través del gas y el polvo que oscurece el núcleo de la luz visible.
Descubrieron un grupo de estrellas que orbitan alrededor de la estrella A de Sagitario, como los cometas que orbitan alrededor del Sol. Solo un agujero negro con millones de veces la masa del Sol podría proporcionar el tipo de anclaje gravitacional para azotar a estas estrellas en órbitas tan extrañas.
Otros estudios encontraron un agujero negro supermasivo en el corazón de la galaxia de Andrómeda, de hecho, parece que estos monstruos están en el centro de casi todas las galaxias del Universo.
¿Pero cómo se formaron? ¿De dónde vienen ellos? ¿Se formó la galaxia primero y causó que el agujero negro se formara en el medio, o se formó el agujero negro y se formó una galaxia a su alrededor?
Hasta hace poco, este todavía era uno de los grandes misterios sin resolver en astronomía. Dicho esto, los astrónomos han investigado mucho, utilizando observatorios cada vez más sensibles, elaboraron sus teorías y ahora están reuniendo evidencia para ayudar a llegar al fondo de este misterio.
Los astrónomos han desarrollado dos modelos de cómo se unió la estructura a gran escala del Universo: de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba.
En el modelo de arriba hacia abajo, todo un supercúmulo galáctico se formó a la vez a partir de una enorme nube de hidrógeno primordial que quedó del Big Bang. Un supercúmulo de estrellas.
Cuando la nube se unió, giró, lanzando espirales más pequeñas y galaxias enanas. Estos podrían haberse combinado más adelante para formar la estructura más compleja que vemos hoy. Los agujeros negros supermasivos se habrían formado como los núcleos densos de estas galaxias cuando se unieron.
Si quieres pensar en esto, piensa en la guardería estelar que formó nuestro Sol y un montón de otras estrellas. Imagine una sola nube de gas y polvo formando múltiples sistemas estelares dentro de ella. Con el tiempo, las estrellas maduraron y se alejaron unas de otras.
Eso es de arriba hacia abajo. Un gran evento que conduce a la estructura que vemos hoy.
En el modelo de abajo hacia arriba, las bolsas de gas y polvo se juntaron en masas cada vez más grandes, formando galaxias enanas e incluso los cúmulos y supercúmulos que vemos hoy. Los agujeros negros supermasivos en el corazón de las galaxias crecieron a partir de colisiones y fusiones entre agujeros negros durante eones.
De hecho, así es como los astrónomos piensan que se formaron los planetas del Sistema Solar. Por trozos de polvo que se atraen entre sí en granos cada vez más grandes hasta que los objetos del tamaño de un planeta se formaron durante millones de años.
De abajo hacia arriba, las piezas pequeñas se unen.
Poco después del Big Bang, todo el Universo era increíblemente denso. Pero no era la misma densidad en todas partes. Diminutas fluctuaciones cuánticas en la densidad al principio evolucionaron durante miles de millones de años de expansión en los supercúmulos galácticos que vemos hoy.
Quiero parar y dejar que esto se hunda en tu cerebro por un segundo. Hubo variaciones microscópicas en la densidad en el Universo temprano. Y estas variaciones se convirtieron en las estructuras de cientos de millones de años luz que vemos hoy.
Imagina a las dos fuerzas en juego mientras ocurría la expansión del Universo. Por un lado, tienes la gravedad mutua de las partículas que se unen entre sí. Y por otro lado, tienes la expansión del Universo que separa las partículas entre sí. El tamaño de las galaxias, cúmulos y supercúmulos se decidió por el punto de equilibrio de esas fuerzas opuestas.
Si las piezas pequeñas se unieran, obtendrías esa formación de abajo hacia arriba. Si se juntaran piezas grandes, obtendrías esa formación de arriba hacia abajo.
Cuando los astrónomos observan el Universo a las escalas más grandes, observan grupos y supercúmulos hasta donde pueden ver, lo que es compatible con el modelo de arriba hacia abajo.
Por otro lado, las observaciones muestran que las primeras estrellas se formaron solo unos cientos de millones de años después del Big Bang, que es compatible de abajo hacia arriba.
¿Entonces la respuesta es ambas?
No, las observaciones más modernas dan la ventaja a los procesos ascendentes.
La clave es que la gravedad se mueve a la velocidad de la luz, lo que significa que las interacciones gravitacionales entre las partículas que se separan una de la otra necesitan alcanzarse, yendo a la velocidad de la luz.
En otras palabras, no obtendrías el valor de un supercúmulo de material, solo el material de una estrella. Pero estas primeras estrellas estaban hechas de hidrógeno puro y helio, y podían crecer mucho más masivamente que las estrellas que tenemos hoy. Vivirían rápido y morirían en explosiones de supernovas, creando agujeros negros mucho más masivos que los que tenemos hoy.
Las primeras protogalaxias se unieron, reuniendo estos primeros agujeros negros monstruosos y las estrellas masivas que los rodean. Y luego, durante millones y miles de millones de años, estos agujeros negros se fusionaron una y otra vez, acumulando millones e incluso miles de millones de veces la masa del Sol. Así fue como obtuvimos las galaxias modernas que vemos hoy.
Hubo una observación reciente que apoya esta conclusión. A principios de este año, los astrónomos anunciaron el descubrimiento de agujeros negros supermasivos en el centro de galaxias relativamente pequeñas. En nuestra propia Vía Láctea, el agujero negro supermasivo es 4,1 millones de veces la masa del Sol, pero representa solo el 0,01% de la masa total de la galaxia.
Pero los astrónomos de la Universidad de Utah encontraron dos galaxias ultra compactas con agujeros negros de 4,4 millones y 5,8 millones de veces la masa del Sol, respectivamente. Y, sin embargo, los agujeros negros representan el 13 y el 18 por ciento de la masa de sus galaxias anfitrionas.
El pensamiento es que estas galaxias alguna vez fueron normales, pero colisionaron con otras galaxias anteriormente en la historia del Universo, fueron despojadas de sus estrellas y luego fueron escupidas para vagar por el cosmos.
Son las víctimas de esos primeros eventos de fusión, evidencia de la carnicería que ocurrió en el Universo temprano cuando ocurrían las fusiones.
Siempre hablamos de los misterios sin resolver en el Universo, pero este es uno que los astrónomos están empezando a descifrar.
Parece más probable que la estructura del Universo que vemos hoy se forme de abajo hacia arriba. Las primeras estrellas se unieron en protogalaxias, muriendo como supernova para formar los primeros agujeros negros. La estructura del Universo que vemos hoy es el resultado final de miles de millones de años de formación y destrucción. Con los agujeros negros supermasivos que se unen con el tiempo.
Una vez que los telescopios como James Webb se pongan a trabajar, deberíamos poder ver estas piezas unidas, en el borde mismo del Universo observable.
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