'Webb nos ha demostrado que están claramente equivocados': cómo la investigación de la astrofísica Sophie Koudmani sobre los agujeros negros supermasivos está reescribiendo la historia de nuestro universo
¿Cómo es que los agujeros negros supermasivos crecieron tan rápido? La astrofísica Sophie Koudmani nos cuenta cómo lo están descubriendo ella y sus colegas.
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Un misterio supermasivo acecha en el centro de la Vía Láctea. Los agujeros negros supermasivos son rupturas gigantescas en el espacio-tiempo que se encuentran en el medio de muchas galaxias, aspirando periódicamente materia antes de escupirla a velocidades cercanas a la de la luz para dar forma a la evolución de las galaxias.
Sin embargo, cómo llegaron a ser tan enormes es un misterio predominante en la astrofísica, profundizado aún más por el Telescopio Espacial James Webb (JWST). Desde que entró en funcionamiento en 2022, el telescopio ha descubierto que los monstruos cósmicos son sorprendentemente abundantes y masivos en los pocos millones de años posteriores al Big Bang, un descubrimiento que desafía muchos de nuestros mejores modelos sobre cómo funcionan los agujeros negros. creció.
Sophie Koudmani es astrofísica de la Universidad de Cambridge que busca respuestas a este problema. Live Science se sentó con ella en el evento New Scientist Live en Londres para discutir los monstruos cósmicos, cómo podrían haberse formado y cómo su trabajo utilizando supercomputadoras para simularlos podría reescribir la historia de nuestro universo.
Ben Turner: ¿Por qué los agujeros negros supermasivos son tan importantes para comprender nuestro universo?
Sophie Koudmani: En el universo, todo está conectado y los agujeros negros supermasivos juegan un papel muy importante. Generan una enorme cantidad de energía que proviene de la región que rodea los agujeros negros. A medida que el gas cae, su energía potencial gravitacional se convierte en radiación. Esto hace que el gas se caliente mucho y, a medida que se calienta, comienza a brillar.
El gas se calienta a millones de grados y su radiación influye en toda la galaxia. Impide que el gas se acumule para formar estrellas, deteniendo la formación estelar de una manera que es importante para producir galaxias realistas. La energía [de los agujeros negros supermasivos] puede viajar aún más lejos e influir en la estructura a gran escala del universo, lo cual es realmente importante para la cosmología y la comprensión de la evolución cósmica.
BT: Entonces, cuando hablas de la energía que fluye hacia afuera, te refieres a chorros relativistas o flujos de salida de algunos agujeros negros a velocidades cercanas a la luz, ¿verdad?
SK: Sí. Hay tres tipos de formas en que los agujeros negros "'hablan'" con sus galaxias anfitrionas. Uno es a través de chorros relativistas, otro es por los vientos emitidos por el disco de acreción [la estructura similar a una nube de gas, polvo y plasma que orbita alrededor de los agujeros negros] (estos no son tan delgados como los chorros) y luego está la radiación. Por lo general, los discos emiten rayos X y radiación de otras partes del espectro electromagnético.
BT: Ya mencionaste esto, pero ¿cómo serían las galaxias si los agujeros negros no existieran?
SK: Entonces, lo que se podría obtener es lo que a menudo se llama "formación estelar desbocada". Todo el gas se consumiría muy rápidamente y se obtendrían bolas de estrellas. Así no es como se ven las galaxias. Para obtener los discos de galaxias [que vemos en nuestro universo] es realmente importante tener algún tipo de agujero negro. Es necesario obtener una proporción realista entre el gas y las estrellas, sin que se consuman de inmediato.
BT: ¿Qué te atrajo a estudiar los agujeros negros? ¿Qué preguntas quieres responder sobre ellos?
SK: Una cosa que realmente me gusta de los agujeros negros supermasivos es que son aparentemente simples, pero luego surge esta física increíblemente rica. De hecho, puedes caracterizar los agujeros negros con sólo dos números (su masa y su giro) y eso te dice completamente cómo se comportan; se llama "teorema sin pelo". A partir de estos dos números puede obtener todas estas posibilidades diferentes. Por ejemplo, algunos agujeros negros tienen chorros y otros no, algunos tienen discos de acreción que brillan intensamente y otros están completamente silenciosos. Es la interacción con las galaxias lo que pone esto de manifiesto.
Así que hay un objeto simple en el centro que puede ser increíblemente poderoso. Interactúa con algo que puede ser bastante complejo y confuso, la galaxia: el gas, el polvo, las estrellas, todos unidos por materia oscura que no entendemos muy bien. Y todos estos componentes interactúan entre sí de maneras que son realmente complejas de entender.
BT: Es interesante que las hayas descrito como simples, porque en la física relativista es donde todas nuestras ecuaciones se descomponen y donde podríamos querer buscar teorías de la gravedad cuántica. ¿Parecen simples sólo porque nuestras teorías sobre ellos lo son?
SK: Depende de lo que te interese. Si te interesa lo que sucede dentro del horizonte de sucesos, entonces sí, claro, la singularidad es donde nuestras teorías fracasan. No sabemos exactamente acerca de otros fenómenos físicos, como la radiación de Hawking, que en realidad podrían provenir del interior del agujero negro.
Si estás preocupado por todo esto, sí, ¡tienes un trabajo muy difícil! Pero si estás pensando en agujeros negros astrofísicos, te interesan los flujos de gas y la radiación alrededor del agujero negro. Como astrofísico, puede sentirse muy feliz de localizar el horizonte de sucesos, ver qué le hace a la región que lo rodea y ser relativamente agnóstico sobre lo que hay dentro. La ubicación de ese horizonte en sí está determinada únicamente por la masa y el giro.
BT: ¿Qué misterios ha revelado JWST sobre los agujeros negros que no conocíamos antes?
SK: No sabíamos que habría tantos agujeros negros supermasivos tan pronto. Existen en cantidades tan elevadas [en el universo primitivo] y dentro de galaxias bastante pequeñas, lo que fue sorprendente.
Mi doctorado fue sobre el modelado de agujeros negros en galaxias pequeñas, fue una suerte que estuviera trabajando en eso porque se ha vuelto muy relevante para el universo primitivo. JWST nos dice que la actividad de los agujeros negros ocurrió en tiempos muy tempranos y en más galaxias de las que se creía posible. De hecho, la actividad parece ser más eficiente que en el universo actual.
BT: ¿Por qué podría ser eso?
SK: Todos sabemos acerca de la expansión cósmica, por lo que ocurre el Big Bang y todo el universo se expande, y esto significa que en los primeros tiempos del universo todo estaba un poco más cerca. juntos para que los flujos de gas fueran más fuertes, esto podría haber ayudado a alimentar los agujeros negros.
Un problema es que los agujeros negros y las supernovas compiten entre sí. Tanto la formación estelar como los agujeros negros consumen gas. El agujero negro expulsa el gas, al igual que las supernovas, y las supernovas también evacuan el gas de la región central, y luego los agujeros negros no pueden crecer porque las supernovas han expulsado todo el gas. Podría ser que en el universo primitivo, por una razón u otra, esto no suceda tanto, y el agujero negro simplemente gane en ese proceso.
De hecho, hay fuertes indicios de que los agujeros negros ganan [en el universo primitivo]. Casi sugiere, debido a la masa de estos agujeros negros, que los agujeros negros se ensamblaron más rápido que sus galaxias anfitrionas.
BT: También mencionaste la eficiencia de los agujeros negros. ¿Qué significa eso? ¿Cómo pueden los agujeros negros tener eficiencia?
SK: Hay varias maneras. Una forma es, cuando aspiran gas, ¿qué grado de acreción [la velocidad a la que crece el disco de acreción] es? Hay algo llamado límite de velocidad de un agujero negro llamado Límite de Eddington. A menudo medimos, como una fracción de ese límite superior teórico, cuánto crece el agujero negro al absorber gas. Para algunos objetos medidos por el JWST, la eficiencia es superior al 100%, por lo que son realmente extremadamente eficientes.
Eso también significa que no es un límite estricto, y siempre hay alguna teoría y suposiciones que lo incluyen, y algunas de esas suposiciones pueden estar equivocadas. De hecho, Webb nos ha demostrado que están claramente equivocados en esos escenarios porque logran romper el límite y crecer aún más rápido.
BT: Entonces, ¿por qué esa eficiencia disminuye a medida que nos adentramos en las últimas etapas del cosmos, el universo local?
SK: Entonces, si hay más formación estelar, simplemente hay menos gas alrededor. Por lo tanto, las galaxias podrían volverse cada vez más pobres en gas: parte del mismo sería expulsado a otra parte, otra se convertiría en estrellas y otra sería consumida por agujeros negros. Las galaxias muy antiguas suelen estar dominadas por sus estrellas, las llamadas galaxias elípticas.
BT: ¿Cómo crecen los agujeros negros en primer lugar? Hay tres formas clave, ¿verdad? Explíquenoslos.
SK: Entonces, el primero es para la primera generación de estrellas. Entonces habrían sido mucho más masivos que nuestro sol, alrededor de 100 veces su masa. Cuando estos llegan al final de su vida y colapsan, colapsan en agujeros negros. Este podría ser un buen punto de partida [para los agujeros negros supermasivos], o podría ser un desafío, ya que estamos comenzando con 100 [masas solares] y queremos llegar a 1 millón.
Un punto de partida mucho más sencillo serían las enormes nubes de gas. Estos colapsan directamente en agujeros negros, y comienzan con algo así como 100.000 veces la masa del sol, lo que hace que sea mucho más fácil llegar a un agujero negro supermasivo [escalas de masa]. Y luego hay un escenario intermedio llamado cúmulos de estrellas nucleares, donde muchas estrellas se generan en el centro de las galaxias y éstas colapsan en agujeros negros.
BT: También existe otra opción, los supuestos agujeros negros primordiales, posibles reliquias de una época anterior al Big Bang. Es una teoría muy descabellada, ¿vemos mucha evidencia de ello?
SK: Es una teoría muy descabellada. Estamos recibiendo más restricciones al respecto y ciertamente no está descartado. Creo que lo interesante de esta pregunta en este momento es que no se descarta nada. Las limitaciones se vuelven más estrictas a medida que nos acercamos cada vez más a los momentos en que se formaron estos agujeros negros.
BT: ¿Cómo podríamos descartarlo finalmente? ¿Cuáles son esas limitaciones?
SK: Algunas personas dicen que, ahora que hemos encontrado agujeros negros masivos tan temprano en el universo, eso significa que tienen que haberse formado a partir de un colapso directo. Hay varios artículos publicados que sugieren que las observaciones lo demuestran.
Pero lo que estamos haciendo ahora es revisar nuestros modelos de cómo crecieron los agujeros negros en el universo temprano para ver si todavía hay otras opciones para otros modelos. Especialmente si los agujeros negros crecen eficientemente, todavía hay tiempo suficiente para que crezcan a partir de una semilla muy ligera. Entonces yo diría que ahora mismo lo emocionante es que ninguno de los modelos está descartado.
BT: Entonces, ¿cómo buscamos respuestas? Hemos mencionado que el JWST detecta agujeros negros cada vez más tempranos, ¿hay otras vías que estemos explorando para encontrar respuestas?
SK: Una forma realmente interesante es con ondas gravitacionales. [Detectarlos] nos permitirá mapear la población de agujeros negros supermasivos de una manera completamente diferente. Porque ahora mismo, a menos que haya un agujero negro muy cerca de nosotros y podamos trazar un mapa de estas órbitas estelares, la única forma de detectar agujeros negros supermasivos es si están en una fase activa.
Pero cuando tengamos instrumentos de ondas gravitacionales que puedan detectar fusiones de agujeros negros supermasivos, tendremos un segundo canal que nos ayudará a estimar sus masas. Y eso se remontaría al universo primitivo porque estos instrumentos serían increíblemente sensibles. Entonces podremos detectar señales de fusiones y encontrar mecanismos viables para su crecimiento.
BT: Su trabajo consiste en utilizar simulaciones para detectar posibles vías de crecimiento. ¿Cómo nos ayudan a encontrar respuestas?
SK: Es una interacción constante entre observación y simulación. Así que una observación, por ejemplo de los primeros agujeros negros supermasivos, nos da algo que explicar. Eso significa entonces que podríamos necesitar ajustar los modelos para permitir ese tipo de crecimiento desde el principio. Luego, las simulaciones nos ayudan a saber qué buscar y, cuando esas observaciones regresan, podemos ajustar nuestros modelos nuevamente.
Trabajo muy estrechamente con observadores y formo parte de un gran programa del JWST que realizará observaciones el próximo año y hará un seguimiento de estos agujeros negros supermasivos en su infancia para comprenderlos mejor.
BT: Finalmente, ¿qué áreas de nuevas investigaciones sobre agujeros negros gigantes le entusiasman más?
SK: Estoy muy entusiasmado con el detector de ondas gravitacionales LISA que entrará en funcionamiento en la década de 2030 y entonces finalmente podremos medir las ondas gravitacionales. ondas no sólo de pequeños agujeros negros sino de agujeros negros supermasivos. Necesitas estar en el espacio para hacer eso.
También soy bastante nerd cuando se trata de codificar y construir modelos, por lo que también me entusiasma el desarrollo técnico. Un ejemplo realmente interesante que está en todas las noticias es, por supuesto, la IA.
Estamos utilizando IA para acelerar nuestras simulaciones, hacerlas aún más precisas e intentar unir todas las escalas desde el enorme espacio de la red cósmica hasta los horizontes de eventos. Esto es algo que es imposible de hacer incluso directamente en este momento, porque los recursos computacionales incluso de las mejores y más grandes supercomputadoras lo encuentran demasiado intensivo, pero podemos usar la IA para desarrollar soluciones para eso.
Nota del editor: esta entrevista ha sido condensada y editada para mayor claridad.