Un hallazgo inesperado explica por qué al principio del Universo ya había agujeros negros gigantes

Por eso, el hallazgo de cada vez más agujeros supermasivos en una época en la que, en teoría, no habrían tenido aún el tiempo de crecer tanto, lleva décadas desconcertando a los astrónomos. Y es que, incluso en los turbulentos inicios del Universo, existen límites, reglas que se creían inquebrantables... por lo menos hasta ahora. Un equipo internacional de astrónomos, en efecto, utilizando el Observatorio de Rayos X Chandra de la NASA, acaba de descubrir que uno de los agujeros negros más antiguos y distantes conocidos está rompiendo descaradamente esas reglas. Y no solo es enorme, sino que está creciendo a un ritmo 2,4 veces superior a lo que se consideraba posible. La investigación se publicará próximamente en 'The Astrophysical Journal'.

Se llama RACS J0320-35, y es un agujero negro supermasivo que se encuentra a la increíble distancia de 12.800 millones de años luz, cuando el Universo tenía menos de la décima parte de su edad actual. Se trata, además, de un verdadero coloso, que a pesar de su juventud ya pesa mil millones de veces más que el Sol, pero la cuestión es que sigue devorando todo lo que le rodea a un ritmo frenético, lo que hace que la galaxia que lo rodea, un cuásar, sea uno de los objetos más brillantes de todos los vistos hasta ahora en aquella lejana era.

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Los datos de rayos X captados por el telescopio Chandra en 2023 no dejan lugar a dudas: RACS J0320-35 está atiborrandose de materia a un ritmo asombroso, entre 300 y 3.000 masas solares al año. Lo cual supera en 2,4 veces el llamado 'límite de Eddington'. Imaginemos un agujero negro como una especie de embudo gravitatorio gigantesco. Todo lo que se acerca a su horizonte de sucesos (el punto de no retorno), es atraído sin remedio hacia su interior. Pero cuando la materia (gas, polvo, planetas, estrellas...) cae hacia el agujero, no lo hace en línea recta, sino en espiral. Se arremolina en un disco de acreción que, debido a las inmensas fuerzas de fricción, se calienta a temperaturas inimaginables, de cientos de millones de grados. Ese material se vuelve tan caliente que comienza a emitir una radiación brutalmente intensa, principalmente en forma de rayos X.

Y es aquí donde el astrofísico Sir Arthur Eddinngton marcó su famoso límite en 1926, basado en un delicado equilibrio de fuerzas. Por un lado, en efecto, la gravedad del agujero negro tira de la materia hacia adentro. Pero por otro, la presión de la radiación que emite el propio disco de acreción empuja la materia hacia afuera. La radiación es tan potente que actúa como un viento estelar, un verdadero 'freno' que impide que la materia siga cayendo (y el agujero negro creciendo). El límite de Eddington es el punto de equilibrio en el que ambas fuerzas, radiación y gravedad, se equilibran. A partir de ahí, dice la teoría, el agujero negro no puede crecer más rápido, porque la radiación superaría a la gravedad y empujaría hacia fuera todo el material. La velocidad de 'engorde' de un agujero negro, por tanto, está directamente ligada a su masa. Cuanto más pesado, más materia puede atraer, pero mayor será la presión de la radiación, que limita su crecimiento.

Pero el nuevo estudio, liderado por Luca Ighina, del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, se ha topado con un objeto que, desafiando toda lógica, ha roto esta regla de la naturaleza. RACS J0320-35 no solo está superando el límite de Eddington, sino que lo hace a lo grande. Cómo este coloso ha conseguido superar su propia 'ley de crecimiento' es un auténtico misterio para los investigadores.

El hallazgo conecta directamente con uno de los mayores enigmas de la cosmología: ¿cómo pudieron los agujeros negros supermasivos, que llegan a pesar miles de millones de veces la masa del Sol, formarse tan rápidamente en los inicios del Universo? Si su crecimiento estuviera regulado por el límite de Eddington, la explicación tradicional sería que estos monstruos ya nacieron con una masa inicial enorme. Una 'semilla', por ejemplo, de 10.000 masas solares, se formaría a partir del colapso de nubes de gas primigenio con muy pocos elementos pesados. Sin embargo, este proceso es extremadamente raro y no explica la cantidad de cuásares supermasivos que hemos encontrado en el Universo joven.

La alternativa es que las 'semillas' eran mucho más pequeñas, de solo unas pocas decenas de masas solares, creadas a partir de la muerte de estrellas masivas, un proceso mucho más común. El problema es que, debido a la limitación de la velocidad de crecimiento de Eddington, estos 'pequeños' agujeros negros no habrían tenido tiempo de engordar tanto como RACS J0320-35 en 'solo' 920 millones de años.

Y aquí es donde el nuevo agujero negro entra en escena para proponer una nueva solución al enigma. Si este agujero negro pudo crecer a un ritmo tan grande durante durante casi mil millones de años, entonces su 'semilla' original no habría tenido porqué ser excepcionalmente masiva. En otras palabras, podría haber nacido de una forma mucho más convencional, a partir de una simple estrella supermasiva. Y si este tipo de crecimiento 'explosivo' resultara ser más común de lo que se pensaba en los inicios del cosmos, entonces el misterio se esfuma. Los agujeros negros habrían tenido tiempo más que suficiente para alcanzar masas colosales, resolviendo así el dilema de su origen.

El de RACS J0320-35, además, no es un caso aislado. De hecho, recientes observaciones del Telescopio Espacial James Webb han detectado otros posibles agujeros negros 'super-Eddington' en el Universo temprano, lo que sugiere que este tipo de 'festines' cósmicos podría ser una característica común de ese período, y no una simple anomalía. El hallazgo de RACS J0320-35, desde luego, refuerza esta idea.

El estudio aborda también la delicada cuestión de cómo se forman los inmensos chorros, o 'jets' de partículas, que emanan de algunos agujeros negros a velocidades cercanas a la de la luz. Se cree que son una forma en que los agujeros negros liberan el exceso de energía cuando se alimentan de forma voraz. Y RACS J0320-35, que está creciendo a una velocidad que desafía los límites, también está produciendo uno de estos chorros, lo que sugiere una posible conexión entre el crecimiento 'super-Eddington' y estas gigantescas emisiones de energía.

«Al conocer la masa del agujero negro y calcular la rapidez con la que está creciendo -explica el coautor del estudio, Alberto Moretti, del Observatorio Astronómico de Brera, en Italia-, podemos trabajar a la inversa para estimar lo masivo que podría haber sido en su nacimiento. Con este cálculo ahora podemos poner a prueba diferentes ideas sobre cómo nacen los agujeros negros».

Por eso, el descubrimiento de RACS J0320-35 supone algo más que la simple detección de un objeto cósmico que rompe las reglas. Es la evidencia de que si la teoría de Eddington tenía una fisura, es precisamente en lo que respecta a los agujeros negros supermasivos jóvenes, cuando el Universo era todavía un 'bebé'. La historia, por tanto, ha cambiado, y los primeros agujeros negros supermasivos han dejado de ser un dilema irresoluble para convertirse, una vez más, en un verdadero 'campo de batalla' donde los viejos modelos de enfrentan a las nuevas evidencias, expandiendo los límites de lo que se creía posible.