El telescopio de rayos X encuentra un voraz agujero negro en los comienzos del universo

ANN ARBOR, Michigan.- Una astrónoma de la Universidad de Michigan y sus colegas, usando la imagen de rayos X más profunda jamás captada, han encontrado la primera prueba directa de que los gigantescos agujeros negros eran comunes en los comienzos del universo. Este descubrimiento del Observatorio Chandra de rayos X, de la NASA, muestra que los agujeros negros muy jóvenes crecieron de manera más agresiva que lo hasta ahora pensado, y a la par del crecimiento de las galaxias que los albergan.

Los astrónomos apuntaron el Chandra a una porción del cielo durante seis semanas y obtuvieron lo que se conoce como el Sur de Campo Profundo de Chandra (CDFS por su sigla en inglés). Cuando combinaron las imágenes óptica e infrarroja, muy profundas, obtenidas por el Telescopio Espacial Hubble de la NASA, los nuevos datos del Chandra permitieron que los astrónomos buscaran agujeros negros en doscientas galaxias distantes, de cuando el universo tenía una edad de 800 millones a 900 millones de años.

"Teníamos razones para esperar que existieran agujeros negros en muchas de las galaxias más tempranas pero hasta ahora habían evadido nuestras búsquedas. Cuando comparé los datos del Chandra con mis modelos teóricos me sorprendió su coincidencia. Es el sueño de cualquier teórica", dijo Marta Volonteri, profesora asociada de astronomía en la UM y coautora del estudio que se publica esta semana en la revista Nature.

El crecimiento a gran tamaño significa que los agujeros negros que aparecen en el CDFS están relacionados con cuásares, objetos muy luminosos y raros fortalecidos con los materiales que caen en los agujeros negros super gigantes. Sin embargo las fuentes en el CDFS son aproximadamente un centenar de veces más débiles, y los agujeros negros son alrededor de mil veces menos voluminosos que los que hay en cuásares.

Se determinó que entre el 30 por ciento  y el 100 por ciento de las galaxias distantes contienen agujeros negros super gigantes que crecen. La extrapolación de estos resultados del pequeño campo de cielo observado al cielo entero resulta en que hay por lo menos 30 millones de agujeros negros super gigantes en el universo. Éste es un factor 10.000 veces mayor que el número calculado de cuásares en el universo temprano.

"Al parecer hemos encontrado toda una nueva población de agujeros negros infantiles", dijo el coautor Kevin Schawinski, de la Universidad Yale. "Pensamos que estos bebés crecerán por un factor de alrededor un centenar o un millar, hasta llegar a ser como los agujeros negros gigantes que vemos ahora, casi 13.000 millones de años más tarde".

Los científicos ya habían previsto que habría una población de agujeros negros bebés en el universo temprano pero hasta ahora no se la había observado. Los cálculos detallados muestran que el monto total de crecimiento de agujeros negros observado por este equipo es aproximadamente cien veces mayor que los cálculos más recientes.

"Hasta ahora no teníamos idea de qué hacían los agujeros negros en esas galaxias tempranas, o si siquiera existían", dijo Ezequiel Treister, de la Universidad de Hawaii y autor principal del estudio. "Ahora sabemos que están allí y que están creciendo impetuosamente".

Dado que estos agujeros negros están casi todos envueltos en espesas nubes de gas y polvo los telescopios ópticos a menudo no los detectan. Sin embargo las elevadas energías de luz de rayos X pueden penetrar esos velos y permiten que se estudie el interior de los agujeros negros.

Dos aspectos cruciales de la física de los agujeros negros son cómo se formaron los primeros agujeros negros super gigantes y cómo crecieron. Aunque se ha establecido la evidencia del crecimiento paralelo de los agujeros negros y las galaxias en distancias más cercanas, los nuevos resultados del Chandra muestran que esta conexión comienza más temprano que lo pensado hasta ahora, quizá desde el origen mismo de ambos.

"La mayoría de los astrónomos piensa que, en el universo del presente, los agujeros negros y las galaxias crecen de forma simbiótica", dijo Priya Natarajan, coautor de la Universidad de Yale. "Hemos mostrado que esta relación de codependencia ha existido desde los primeros tiempos".

Se ha sugerido que los agujeros negros tempranos desempeñarían un papel importante para disipar la "niebla" cósmica de hidrógeno neutro (no cargado) que impregnaba el universo temprano cuando las temperaturas bajaron después de la Gran Explosión. Sin embargo el estudio del Chandra muestra que las capas de polvo y gas obstruyen la radiación ultravioleta generada por los agujeros negros e impiden que salga a llevar a cabo la "re ionización". Por lo tanto las estrellas y no los agujeros negros son las que, probablemente, disiparon esa niebla en la alborada cósmica.

Chandra es capaz de detectar objetos extremadamente tenues a grandes distancias pero estos agujeros negros están tan oscurecidos que, relativamente, pocos fotones pueden escapar y en consecuencia no se pueden detectar individualmente. En cambio el equipo usó una técnica que se apoyó en la capacidad del Chandra para determinar, con precisión, la dirección de la cual provienen los rayos X para sumar todos los conteos de Rayos X cerca de las posiciones de galaxias distantes y encontrar una señal estadísticamente significativa.

El título del artículo en Nature que describe estos resultados es "Black hole growth in the early Universe is self-regulated and largely hidden from view".  El otro coautor es Eric Gawiser de la Universidad Rugers, en New Jersey.