¿Qué tan grandes pueden llegar a ser los agujeros negros?

En el centro de nuestra galaxia vive un gigantesco agujero negro. Es tan ancho como nuestro Sol, pero millones de veces más pesado. Su inmensa atracción gravitatoria agita el polvo y el gas interestelar a su alrededor.

Este agujero negro supermasivo es el corazón palpitante de la Vía Láctea, que ha impulsado la formación y evolución de nuestra galaxia a lo largo de sus 13.000 millones de años de historia, contribuyendo al nacimiento de sistemas solares como el nuestro.

De vez en cuando, una estrella se acerca demasiado y es desintegrada, apagándose sin dejar rastro de su existencia anterior. Es una bestia aterradora, con el poder de crear y destruir a escala épica.

Casi todas las grandes galaxias tienen un agujero negro supermasivo en su centro, pero, en el gran esquema del universo, el nuestro —llamado Sagitario A*— es un auténtico peso pluma. En la última década, los astrónomos han descubierto agujeros negros mucho más grandes, conocidos como agujeros negros ultramasivos.

Algunos son 1.000 veces más masivos que Sagitario A* y lo bastante grandes como para abarcar toda la anchura de nuestro sistema solar.

La incomparable vista que ofrece el telescopio espacial James Webb también nos está dando una nueva visión de cómo crecieron estos colosos en los albores del tiempo. Pero hay otros tantos misterios: ¿de dónde vienen y qué tamaño pueden alcanzar realmente?

El reto de estudiarlos

Medir el tamaño de objetos tan enormes y distantes (que, por su propia definición, no pueden observarse directamente) es complicado, pero sabemos que algunos de los más grandes lo son asombrosamente.

Uno de los mayores descubiertos hasta la fecha, conocido como Ton 618, se encuentra merodeando en el centro de un cuásar a unos 18.000 millones de años luz.

No podemos ver los agujeros negros directamente debido a su propia naturaleza: en su límite, conocido como horizonte de sucesos, la gravedad se vuelve tan intensa que nada puede escapar, ni siquiera la luz. Así que solo podemos verlos si proyectan una sombra sobre el material brillante circundante que está siendo devorado por el agujero negro.

Sin embargo, podemos deducir su existencia más fácilmente observando una galaxia y observando los efectos del agujero negro central. Una forma es buscar potentes chorros disparados desde los polos del agujero negro. “Todavía no entendemos exactamente cómo pueden formar estas estructuras, pero lo hacen”, afirma Hlavacek-Larrondo.

Estos chorros de radio pueden alcanzar una longitud de millones de años luz.

La física entre los agujeros negros ultramasivos y los más pequeños es prácticamente la misma: si se sobrepasa el horizonte de sucesos, no hay escapatoria. A mayor masa, mayor radio del horizonte de sucesos. Pero los agujeros negros ultramasivos tienen una propiedad interesante debido a su tamaño.

Si tuviéramos la mala suerte de caer en un agujero negro de masa estelar, experimentaríamos lo que se conoce como espaguetización: nuestro cuerpo se estiraría hasta el infinito debido a la diferencia de gravedad entre nuestros pies y nuestra cabeza.

Sin embargo, en un agujero negro ultramasivo, el gradiente gravitatorio es mucho menos pronunciado porque se extiende mucho más hacia el espacio, hasta el punto de que apenas notaríamos la caída más allá del horizonte de sucesos.

“No se produciría la espaguetización”, afirma Nightingale. "Lo único que delataría tu destino sería la deformación de la luz estelar a tu alrededor debido a la gravedad del agujero negro".

Mirando al pasado

Gracias a la potencia del James Webb, los astrónomos pueden ahora hacer observaciones cada vez más lejanas, y por tanto más atrás en el tiempo debido al tiempo que tarda la luz en llegar hasta nosotros desde rincones lejanos del universo.

Esto les está permitiendo ver galaxias en los primeros cientos de millones de años de existencia del universo. Para que agujeros negros tan distantes hayan crecido tanto, deben haber nacido relativamente pronto en la historia del universo y luego haber devorado material vorazmente, algo que desafía gran parte de lo que sabemos sobre los límites de cómo se forman los agujeros negros. Sin embargo, los astrónomos están empezando a encontrar pruebas de ello.

En algunos de los rincones más antiguos del universo que podemos observar, el James Webb está descubriendo tipos de galaxias nunca antes vistos. Los científicos han descubierto cientos de galaxias extrañas y compactas, que brillan mucho más de lo que cabría esperar, y que existieron entre 600 millones y 1.000 millones de años después del Big Bang.

Por su color y tamaño, se las conoce como pequeños puntos rojos. Lo que resulta especialmente sorprendente de estas galaxias es la luz que emiten, que parece indicar que en su interior ya acechan agujeros negros supermasivos.

Estas observaciones sugieren que, efectivamente, los agujeros negros crecieron rápidamente. En nuestro universo cercano, los grandes agujeros negros situados en el centro de las galaxias suelen ser unas 1.000 veces más pequeños que su galaxia anfitriona.

Pero el James Webb está encontrando agujeros negros del mismo tamaño que su propia galaxia justo en los albores del Universo, lo que sugiere que los agujeros negros podrían haberse formado antes de que las galaxias crecieran a su alrededor.

En comparación con el universo cercano, estas masas son de “decenas a varios cientos” de veces mayores de lo que cabría esperar, afirma Hannah Übler, cosmóloga de la Universidad de Cambridge (Reino Unido).

Los astrónomos se refieren a estos primeros titanes como “agujeros negros sobremasivos”.

Übler, que ha utilizado el JWST para observar estos primeros agujeros negros, dice que es “realmente sorprendente y ponen a prueba los modelos teóricos para explicar cómo estos agujeros negros consiguieron hacerse tan masivos tan rápidamente”.

El misterio de su formación

La forma en que estos agujeros negros crecieron tan rápidamente es un misterio, y probablemente esté relacionada con el modo en que se formaron en el universo primitivo.

Una idea es que se formaron a partir de la muerte de las primeras estrellas del universo, las llamadas estrellas de Población III, monstruos que tenían entre 100 y 1.000 veces la masa de nuestro Sol y estaban formadas casi en su totalidad por helio e hidrógeno.

Las supernovas -una colosal explosión estelar- de estas estrellas en las etapas finales de su vida liberaron elementos más pesados en el universo. Estos elementos dieron lugar a otras estrellas y, finalmente, a planetas como el Sol y la Tierra.

Pero sus muertes también podrían haber producido grandes agujeros negros al colapsar el material hacia el interior por efecto de la gravedad.

“Los agujeros negros de estas estrellas son más masivos que los agujeros negros de masa estelar”, explica Mar Mezcua, astrofísica del Instituto de Ciencias del Espacio de España. “A partir de esto, pueden crecer y tener más posibilidades de convertirse en supermasivos en poco tiempo”.

Otra posibilidad que se baraja es que los primeros agujeros negros se formaran predominantemente no a partir de estrellas, sino de nubes de gas, lo que se conoce como agujeros negros de colapso directo.

Normalmente, estas nubes habrían formado estrellas al condensarse bajo la gravedad, pero si la temperatura era lo suficientemente alta, algunas nubes podrían no haber formado estrellas sino colapsado directamente en agujeros negros en su lugar.

“Son condiciones que no se dan en el universo actual”, explica Mezcua. Sin embargo, en las calurosas y tumultuosas condiciones del universo primitivo, podría haber sido posible, afirma.

Aún no se han observado estrellas de población III ni agujeros negros de colapso directo, por lo que no está claro qué mecanismo dominó la formación de agujeros negros en el Universo primitivo.

Sea cual fuera el modo en que se formaron, estos agujeros negros deben de haber desarrollado una forma de alcanzar un gran tamaño con bastante rapidez.

Los agujeros negros ultramasivos también podrían haber crecido rápidamente consumiendo material en ráfagas, algo de lo que el James Webb ha visto pruebas.

Los astrónomos han observado algunas galaxias primitivas que son brillantes y activas, pero otras con un gran agujero negro que parece dormido, lo que sugiere que este último ya debe haber consumido mucho material antes de caer en letargo.

“No sabemos cuánto duraría el ciclo”, afirma Hlavacek-Larrondo. Sin embargo, es probable que los periodos de consumo rápido sean raros, afirma. “Quizá un 1% de la vida del agujero negro”.

Lo que sigue sin estar claro es el tamaño exacto que podrían tener los agujeros negros en el cosmos moderno. “Tenemos una estimación aproximada basada en la edad del universo”, dice Hlavacek-Larrondo, de unos 270.000 millones de masas solares.

“Pero quizá el universo nos sorprenda”.

Puedes leer la versión original de este artículo en inglés en BBC Future.

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