Ilustración del Universo temprano. Crédito de la imagen: NASA. Click para agrandar.
Todo comenzó hace mucho tiempo mientras el universo era muy joven. Las primeras estrellas reproductoras masivas retozaron en su juventud, girando y retozando entre ricas hierbas verdes de materia virgen. A medida que transcurría el tiempo asignado, los motores nucleares evaporaban corrientes expansivas de hidrógeno caliente y gas helio, enriqueciendo los medios interestelares. Durante esta fase, los cúmulos estelares supermasivos se formaron en pequeños bolsillos cerca de los núcleos galácticos nacientes; cada uno agrupa un nado en pequeñas regiones de materia primordial de mini-halo.
Completando su ciclo, las primeras estrellas reproductoras explotaron, arrojando átomos pesados. Pero antes de que se acumulara demasiada materia pesada en el Universo, los primeros agujeros negros se formaron, crecieron rápidamente a través de la asimilación mutua y acumularon suficiente influencia gravitacional para atraer gases "Ricitos de oro" de temperaturas y composición precisas en grandes discos de acreción. Esta fase supercrítica de crecimiento maduró los primeros agujeros negros masivos (MBH) rápidamente hasta el estado de agujero negro supermasivo (SMBH). Fuera de esto, los primeros cuásares se establecieron dentro de los mini haloes fusionados de numerosas protogalaxias.
Esta imagen de la formación temprana del quásar surgió de un artículo reciente (publicado el 2 de junio de 2005) titulado "Crecimiento rápido de agujeros negros de alto desplazamiento rojo" escrito por los cosmólogos de Cambridge, Martin J. Rees y Marta Volonteri. Ese estudio trata la posibilidad de que se abriera una breve ventana de rápida formación de SMBH después del tiempo de transparencia universal pero antes de que los gases en los medios interestelares se reionizaran completamente a través de la radiación estelar y se sembraron con metales pesados por las supernovas. El modelo Rees-Volonteri intenta explicar los hechos que salen del conjunto de datos Sloan Digital Sky Survey (SDSS). A mil millones de años después del Big Bang, muchos cuásares altamente radiantes ya se habían formado. Cada uno con SMBH con masas que exceden los mil millones de soles. Estos surgieron de los "agujeros negros de semillas": cenizas gravitacionales que quedaron después del primer ciclo de colapso de supernovas entre los primeros cúmulos galácticos masivos. A mil millones de años después de Big Bang, todo había terminado. ¿Cómo podría tanta masa condensarse tan rápidamente en regiones tan pequeñas del espacio?
Según Volontari y Rees, "Para cultivar tales semillas hasta mil millones de masas solares se requiere una acumulación de gas casi continua ..." Trabajar contra una tasa de acumulación tan alta, es el hecho de que la radiación de la materia que cae en un agujero negro generalmente compensa rápidamente " aumento de peso". La mayoría de los modelos de crecimiento SMBH muestran que aproximadamente el 30% de la masa que cae hacia un agujero negro intermedio (masivo, no supermasivo) se convierte en radiación. El efecto de esto es doble: la materia que de otro modo alimentaría al MBH se pierde por la radiación, y la presión de radiación exterior sofoca la marcha de materia adicional hacia adentro para alimentar un crecimiento rápido.
La clave para comprender la rápida formación de SMBH radica en la posibilidad de que los discos de acreción temprana alrededor de los MBH no sean tan ópticamente densos como lo son hoy en día, sino "gordos" con materia tenuemente distribuida. En tales condiciones, la radiación tiene un camino libre medio más amplio y puede escapar más allá de los discos sin impedir el movimiento interno de la materia. El combustible que impulsa todo el proceso de crecimiento de SMBH se entrega copiosamente en el horizonte de eventos del agujero negro. Mientras tanto, el tipo de materia presente en la época más temprana era principalmente hidrógeno monoatómico y helio, no el tipo de discos de acreción ricos en metales pesados de una época posterior. Todo esto sugiere que los primeros MBH crecieron a toda prisa, lo que en última instancia representa los muchos cuásares maduros vistos en el conjunto de datos SDSS. Estos primeros MBH deben haber tenido relaciones de conversión de masa-energía más típicas de los SMBH completamente maduros que los MBH de hoy.
Volontari y Rees dicen que los investigadores anteriores han demostrado que los "cuásares completamente desarrollados tienen una eficiencia de conversión de masa-energía de aproximadamente 10% ..." Sin embargo, el par advierte que este valor de conversión de masa-energía proviene de estudios de cuásares de un período posterior en Universal expansión y que "no se sabe nada sobre la eficiencia radiativa de los cuásares pregalácticos en el Universo temprano". Por esta razón, "la imagen que tenemos del Universo de bajo desplazamiento al rojo puede no aplicarse en épocas anteriores". Claramente, el Universo temprano estaba más densamente lleno de materia, esa materia estaba a una temperatura más alta y había una mayor proporción de no metales a metales. Todos estos factores dicen que es casi la mejor conjetura de las eficiencias de conversión de energía de masa de los primeros MBH. Dado que ahora debemos explicar por qué existen tantos SMBH entre los primeros cuásares, tiene sentido que Volontari y Rees usen lo que saben de los discos de acreción de hoy como un medio para explicar cómo estos discos pueden haber sido diferentes en el pasado.
Y son los primeros tiempos, antes de que la radiación de numerosas estrellas re-ionizaran gases dentro de los medios interestelares, que ofrecían condiciones propicias para la rápida formación de SMBH. Es posible que tales condiciones hayan durado menos de 100 millones de años y requirieran un equilibrio adecuado en la temperatura, densidad, distribución y composición de la materia en el Universo.
Para obtener la imagen completa (tal como está pintada en el papel), comenzamos con la idea de que el universo primitivo estaba poblado por innumerables mini-halos compuestos de materia oscura y bariónica con cúmulos estelares muy masivos pero extremadamente densos en su medio. Debido a la densidad de estos cúmulos, y a la masa de las estrellas que los componen, las supernovas se desarrollaron rápidamente para generar numerosos "agujeros negros". Estas semillas BH se unieron en agujeros negros masivos. Mientras tanto, las fuerzas gravitacionales y los movimientos reales rápidamente unieron a los varios mini-halos. Esto creó halos cada vez más masivos capaces de alimentar MBH.
En el Universo temprano, la materia que rodeaba a los MBH tomó la forma de enormes esferoides pobres en metales de hidrógeno y helio con un promedio de temperatura de unos 8,000 grados Kelvin. A temperaturas tan altas, los átomos permanecen ionizados. Debido a la ionización, había pocos electrones asociados con los átomos para actuar como trampas de fotones. Los efectos de la presión de radiación disminuyeron hasta el punto en que la materia cayó más fácilmente en un horizonte de eventos de agujeros negros. Mientras tanto, los electrones libres dispersan la luz. Parte de esa luz en realidad vuelve a irradiarse hacia el disco de acreción y otra fuente de masa, en forma de energía, alimenta el sistema. Finalmente, la escasez de metales pesados, como oxígeno, carbono y nitrógeno, significa que los átomos monotómicos permanecen calientes. A medida que las temperaturas caen por debajo de los 4.000 grados K, los átomos se desionizan y vuelven a estar sujetos a la presión de radiación, lo que reduce el flujo de materia fresca que cae en el horizonte de eventos BH. Todas estas propiedades puramente físicas tendieron a reducir las relaciones de eficiencia de masa-energía, lo que permitió que los MBH aumentaran de peso rápidamente.
Mientras tanto, cuando los mini-halos se fusionaron, la materia bariónica caliente se condensó en enormes discos "gruesos", no en los anillos delgados que se ven alrededor del SMBH hoy. Esto se produjo porque la materia de halo en sí misma rodeaba completamente a los MBH de rápido crecimiento. Esta distribución esferoidal de la materia proporcionó una fuente constante de materia virgen fresca, caliente para alimentar el disco de acreción desde una variedad de ángulos. Los discos gruesos significaban mayores cantidades de materia a menor densidad óptica. Una vez más, la materia logró evitar ser “navegada por el sol” hacia afuera, lejos de las fauces inminentes del MBH, y las relaciones de conversión de energía de masa disminuyeron.
Ambos factores, los discos grasos y los átomos ionizados de baja masa, dicen que durante la edad de oro de un Universo verde temprano, los MBH crecieron rápidamente. A menos de mil millones de años del Big Bang, se habían establecido en una madurez relativamente tranquila, convirtiendo eficientemente la materia en luz y proyectando esa luz a través de vastos tramos de tiempo y espacio en un universo potencialmente en constante expansión.
Escrito por Jeff Barbour
