Los extraños agujeros negros pueden guardar secretos del universo temprano.

El corazón de nuestra galaxia es un monstruo glotón. Como el mítico Kammapa del pueblo Sotho del sur de África, el agujero negro central y supermasivo de la Vía Láctea ha tragado casi todo lo que hay a su alrededor, haciéndose cada vez más grande cuanto más come. Y no está solo. Agujeros negros con un peso de miles, millones o incluso miles de millones de soles se encuentran en el centro de casi todas las galaxias masivas conocidas.

Durante décadas, los científicos pensaron que ese era el único lugar donde encontrarían a esos gigantes, porque solo las galaxias masivas tenían suficiente material para alimentar los apetitos excesivos de los monstruos. Pero hace aproximadamente dos décadas, las simulaciones por computadora de los primeros agujeros negros comenzaron a encontrar rarezas: grandes agujeros negros que no estaban donde se esperaba. En ese momento, muchos científicos creyeron que estos inadaptados debían ser nada más que coincidencias, y descartaron los resultados sin más reflexiones.

Pero otros no estaban tan seguros de que deberían desechar a los raros. Si las observaciones muestran que estos agujeros negros inusuales existen en el universo cercano, especularon estos astrofísicos, podrían ser pistas sin explotar sobre el comienzo y la adolescencia del universo.

"Podemos, extrañamente, [aprender sobre] el súper comienzo del universo mirando cosas muy cerca de nosotros", dice la astrofísica teórica Jillian Bellovary del Queensborough Community College de la ciudad de Nueva York.

La idea quedó solo como una idea durante años. Pero ahora, la existencia de estos inadaptados no es tan fácil de ignorar. Los astrónomos han descubierto indicios de un número de agujeros negros inesperadamente masivos en las galaxias más pequeñas del universo, y sorprendentemente, algunos de esos agujeros negros no parecen estar ubicados en los centros de sus galaxias. Aún más intrigante, los astrónomos han observado evidencia de agujeros negros que deambulan por los bordes de sus galaxias, y en casos raros, siendo expulsados de sus hogares hacia el espacio intergaláctico.

Tal vez estos agujeros negros no sean simplemente inadaptados cósmicos, sino grandes actores en la historia de nuestro universo. Si es así, son una herramienta para investigar uno de los mayores misterios de toda la astrofísica: cómo llegaron a ser los Kammapas cósmicos que vemos hoy en día.

"Sin comprender lo que están haciendo los agujeros negros, no se puede entender la evolución de las galaxias", dice Xiaohui Fan, cosmóloga de la Universidad de Arizona en Tucson, lo que hace imposible explicar el paisaje del universo.

Nuestra comprensión cosmológica actual de cómo los agujeros negros llegaron a ser tan grandes va algo así: a medida que las galaxias crecen, colisionan y se fusionan a lo largo del tiempo cósmico, toman nuevas estrellas, gas y polvo. Los agujeros negros en el centro de las galaxias crecen a la par, hinchándose a medida que se fusionan entre sí y se alimentan del material recién adquirido. Una estimación aproximada sitúa el peso de un agujero negro supermasivo en algún lugar alrededor de una milésima parte de la masa de su galaxia hogar.

En este escenario, las galaxias más pequeñas del universo, llamadas galaxias enanas, probablemente no experimentaron muchas fusiones en el pasado. Pesando solo una billonésima parte de la masa de la Vía Láctea, deberían tener agujeros negros relativamente pequeños, o ninguno en absoluto.

Pero a finales de la década de 2000, la astrofísica Marta Volonteri del Institut d'Astrophysique de Paris en la Sorbonne University ayudó a ejecutar simulaciones por computadora que rastrean la evolución de los agujeros negros masivos desde su nacimiento hasta hoy. En esos esfuerzos, casi tan pronto como aparecieron en existencia, incluso las galaxias más pequeñas podrían tener agujeros negros sorprendentemente grandes. Con el tiempo, algunas de esas galaxias nunca crecieron ni se fusionaron con otras, dejándolas impecables después de miles de millones de años de evolución cósmica.

A Volonteri y sus colegas se les ocurrió una idea salvaje: estas galaxias y sus agujeros negros eran reliquias del nacimiento del universo. Si los agujeros negros masivos en las galaxias enanas existían, y si los astrónomos pudieran encontrarlos, esos agujeros negros serían una ventana sin precedentes en cómo se formaron los primeros agujeros negros.

Las primeras pistas de que existen llegaron de un hallazgo serendipitoso de la astrónoma Amy Reines. Hace más de una década, estaba en la escuela de posgrado en la Universidad de Virginia en Charlottesville analizando datos de telescopio sobre una galaxia enana a 30 millones de años luz de la Tierra. Estaba repleta de estrellas, y Reines estaba tratando de aprender más sobre cómo nacen estas bolas de gas caliente.

Inicialmente, Reines miró los datos de la galaxia, llamada Henize 2-10, en longitudes de onda de luz de radio y cerca del infrarrojo. Vio un sonajero cósmico, un puente de gas aproximadamente de 300 años luz de largo que conecta dos bolas de polvo cubriendo estrellas recién fusionadas. Una exploración más profunda de los datos reveló emisiones de radio extremas justo en el medio del sonajero, junto con brillantes rayos X provenientes del mismo lugar, indicios de un gran agujero negro con una masa de un millón de soles.

"No había visto esto antes", dice Reines, ahora en la Universidad del Estado de Montana en Bozeman. Las galaxias enanas, también había asumido, no deberían tener agujeros negros grandes. Mantuvo su escepticismo sobre su interpretación hasta unos meses después, cuando asistió a una charla en Seattle en la reunión de la Sociedad Astronómica Americana de 2011. 

Fue allí donde Bellovary, entonces investigadora postdoctoral en la Universidad de Michigan en Ann Arbor y colaborando con Volonteri, presentó nuevas simulaciones de formación de galaxias. Bellovary describió la formación de galaxias con una gama de masas e historias, y discutió cómo los resultados podrían hacer predicciones sobre cómo los agujeros negros masivos están dispersos por todo el universo. 

Como el trabajo anterior de Volonteri, las simulaciones de Bellovary sugerían que no solo las galaxias grandes albergan grandes agujeros negros; las galaxias delgadas también podrían tenerlos. 

En una sesión en la misma reunión, Reines destacó su descubrimiento de la galaxia enana Henize 2-10 y su agujero negro inusualmente masivo. Como dos agujeros negros que se mueven en círculos y luego chocan, inesperadas simulaciones de computadora se encontraron con observaciones inesperadas del mundo real. 

El trabajo combinado sugirió que no solo las galaxias masivas tienen grandes agujeros negros, sino que tal vez la mayoría de las galaxias también los tienen, dice Fan. Y eso planteó muchas preguntas nuevas sobre cómo los agujeros negros y las galaxias crecen juntos. 

Después de escuchar la charla de Bellovary y publicar sus propios hallazgos, Reines cambió su enfoque de investigación desde el nacimiento de estrellas hasta la búsqueda de grandes agujeros negros. Los behemoths la atrajeron. Lanzó un esfuerzo para buscarlos en galaxias enanas. 

En una sesión en la misma reunión, Reines destacó su descubrimiento de la galaxia enana Henize 2-10 y su agujero negro inusualmente masivo. Como dos agujeros negros que se mueven en círculos y luego chocan, inesperadas simulaciones de computadora se encontraron con observaciones inesperadas del mundo real. 

El trabajo combinado sugirió que no solo las galaxias masivas tienen grandes agujeros negros, sino que tal vez la mayoría de las galaxias también los tienen, dice Fan. Y eso planteó muchas preguntas nuevas sobre cómo los agujeros negros y las galaxias crecen juntos. 

Reines examinó los datos de la Encuesta Digital del Cielo Sloan buscando las firmas de luz visible de los agujeros negros centrales. De las aproximadamente 25,000 galaxias enanas en su análisis, ella y sus colegas informaron que 151 parecían albergar un gran agujero negro en 2013. 

Volonteri dice que estaba exaltada por los resultados. Validaron su idea salvaje de que las galaxias enanas podrían tener agujeros negros realmente grandes, y posiblemente que esos agujeros negros podrían decirnos algo sobre los primeros agujeros negros. 

Una pista clave puede estar en las masas de los agujeros negros de las galaxias enanas. Las dos ideas principales sobre cómo se formaron los primeros agujeros negros crean agujeros negros de diferentes masas. Una idea supone que estos agujeros negros se formaron a partir de la implosión de las primeras estrellas y tienden a ser relativamente livianos. La otra idea sugiere que los primeros agujeros negros se formaron a partir del colapso directo de nubes gigantes de gas y serían más pesados. Si la idea de la nube de gas es correcta, podría explicar otra incógnita cósmica: cómo los agujeros negros en el universo temprano se volvieron tan grandes tan rápido. "Los observamos y ya son enormes", dice Bellovary. Si la historia del universo se mostrara en un reloj, estos monstruos tendrían solo segundos para formarse, explica. 

Si los agujeros negros grandes en galaxias enanas son de hecho reliquias antiguas del universo temprano, sus masas deberían ser similares a las masas de los primeros agujeros negros. Si es así, podrían ayudar a explicar cómo se formaron las semillas de algunos de los agujeros negros más pesados que vemos hoy. 

Según una estimación reciente, el agujero negro de Henize 2-10 pesa unos pocos millones de soles (SN: 9/11/21, p. 12). Ese es un punto de datos a favor de la idea del colapso directo de la nube de gas, pero es solo una medición con muchas suposiciones. Por ahora, medir las masas de los agujeros negros no es tarea fácil. 

En las simulaciones por computadora, los agujeros negros grandes no aparecen solo en el centro de la galaxia. Las simulaciones predicen que esta galaxia tiene muchos en su halo (círculos negros). Los cinco agujeros negros más grandes (naranja) incluyen cuatro que están fuera de lugar. Las vistas de gas simulado y rayos X muestran cómo estos agujeros negros podrían aparecer a los astrónomos en imágenes de telescopio. 

Afortunadamente, hay otra manera de obtener una pista sobre las masas de los agujeros negros tempranos. Depende en gran medida de otro tipo de rareza: grandes agujeros negros que no se encuentran exactamente en el centro de las galaxias enanas. 

Cuando Bellovary compartió sus simulaciones en 2011, la idea de agujeros negros grandes en galaxias delgadas no fue la única sorpresa. Su trabajo también predijo que algunos Kammapas estarían fuera de lugar desde los centros galácticos, vagando por los bordes de los enanos después de no poder caer en sus núcleos. \n

“Siempre me gusta pensar en los valores atípicos, o los pequeños rechazos extraños o los no conformistas”, dice Bellovary. Decidió volver a ejecutar sus simulaciones, centrándose en las galaxias más pequeñas. Cuando lo hizo, encontró que la mitad de los agujeros negros masivos en las galaxias enanas deberían estar descentrados, informó a principios de 2019 en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Como si fuera por arte de magia, Reines entró unos meses después con observaciones que reforzaron las simulaciones de Bellovary. Con el uso de la red de radiotelescopios muy grandes (Very Large Array) en Nuevo México, Reines y sus colegas habían examinado las emisiones procedentes de 111 galaxias enanas, 13 de las cuales probablemente tenían agujeros negros grandes. De esos 13 agujeros negros grandes, algunos parecían estar descentrados de los núcleos de sus galaxias (SN: 6/22/19, p. 12).

Encontrar vagabundos fue un éxito. "Una vez que un agujero negro comienza a vagar, ya no crece en masa”, dice Volonteri. Los vagabundos de menor masa deberían coincidir aproximadamente con la masa inicial de los primeros agujeros negros, convirtiéndose en un buen proxy para las semillas que luego se convertirían en agujeros negros supermasivos.

Desafortunadamente, la masa de los vagabundos es aún más difícil de calcular que la masa de Kammapas que se sientan en los núcleos de sus galaxias. Los investigadores están recurriendo al número general de estos vagabundos en busca de pistas. Si los primeros agujeros negros, las semillas de los agujeros negros supermasivos de hoy, se formaron a partir del colapso directo de enormes nubes de gas fluyendo hacia las galaxias, los vagabundos no deberían ser muy comunes en las galaxias enanas. Esto se debe a que convertir la masa de una nube de gas en un agujero negro masivo es difícil y, por lo tanto, se espera que sea un fenómeno raro, explica Volonteri. Una forma más fácil de formar agujeros negros tempranos a través de la implosión de las primeras estrellas resultaría en muchos más vagabundos.

Otro posible escenario que los científicos están considerando ahora es si las fusiones de estrellas o agujeros negros tempranos en los núcleos de galaxias densas podrían haber hecho las semillas de los agujeros negros supermasivos. Ese proceso también resultaría en muchos vagabundos. Pero esos agujeros negros serían un poco más masivos que los agujeros negros formados a partir de implosiones estelares.

Debido a que los signos de vagabundos siguen apareciendo, los investigadores se están alejando de la idea de colapso directo. Pero para tener una idea mejor de cómo se formaron los agujeros negros grandes, los investigadores necesitan censo de agujeros negros vagabundos no solo en el universo cercano sino también en el pasado, explica Angelo Ricarte del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian en Cambridge, Massachusetts. Necesitamos saber si lo que está sucediendo ahora es similar a lo que sucedió entonces, porque el ambiente en el universo temprano era muy diferente.

"Siempre me gusta pensar en los valores atípicos, o los pequeños rechazos extraños o los no conformistas”.

Las galaxias masivas también parecen tener vagabundos, algunos que vuelan a través de sus galaxias huéspedes a 10 veces la velocidad de los vagabundos en las galaxias enanas.

Pero los científicos no están del todo seguros de si estos agujeros negros en fuga son reales. Cuando uno apareció en 2003 en las simulaciones de Volonteri, los científicos lo ignoraron. Los vagabundos reaparecieron en las simulaciones de Bellovary. ¿La reacción? Escepticismo. Y ese escepticismo se mantuvo incluso cuando los astrónomos anunciaron señales de rayos X brillantes y llamativas procedentes de candidatos vagabundos.

Hace varios años, una imagen del telescopio espacial Hubble y datos de otros observatorios ofrecieron evidencia de un agujero negro con una masa equivalente a mil millones de soles siendo expulsado hacia el borde de su galaxia (SN: 4/29/17, p. 16). Y a principios de este año, las imágenes de Hubble y el Observatorio Keck revelaron la posibilidad de una tríada de agujeros negros supermasivos interactuando, con uno recibiendo tanta energía que fue expulsado al espacio intergaláctico (SN: 4/8/23, p. 11). Pero un equipo separado propone que lo que algunos científicos llaman un agujero negro vagabundo podría ser en cambio una galaxia vista de canto.

Volonteri continúa rastreando cada candidato vagabundo, junto con otros agujeros negros inusuales que los astrónomos han presentado. Todos tienen que encajar de alguna manera en nuestra comprensión completa de la historia de los agujeros negros supermasivos, dice. Y una vez más, la frecuencia con la que aparecen en las observaciones podría proporcionar pistas sobre el cuadro completo.

Si las observaciones muestran que los vagabundos de movimiento lento son abundantes, entonces colisiones y fusiones de agujeros negros realmente grandes son presumiblemente raras. Los vagabundos de movimiento lento no han interactuado con otros agujeros negros y, por lo tanto, no han adquirido energía adicional en relación con las estrellas que los rodean. La historia que nos estaría contando el universo es que los agujeros negros supermasivos que vemos hoy no crecieron a través de fusiones repetidas después de todo. Pero, dice Volonteri, si hay muchos agujeros negros supermasivos que son disparados desde los centros de sus galaxias a los bordes distantes, las interacciones de agujeros negros, incluyendo fusiones, deben ser comunes.

With a few dozen candidate oddballs in dwarf galaxies and only a few far-flung rogue candidates identified, the picture is not yet clear. What we do know, Fan explains, is that understanding cosmic evolution requires a good sense of the birth and evolution of the “dark sector” of galaxies — including black holes.

More observational evidence of oddballs would help, and more astronomers have joined the search. In 2021, a team including Reines and Mallory Molina of the University of Utah in Salt Lake City reported a new way to spot signs of massive black holes in dwarfs, specifically if the behemoths are feeding on gas and dust. The technique searches dwarfs for a red glow given off by an unusual type of iron. And a team from Dartmouth reported last year that very-high-energy X-rays may also reveal obscure behemoths.

Future observatories may aid in the hunt too. The Vera C. Rubin Observatory, located in Chile and slated to turn on next year, can sweep the skies looking for wanderers. And the next-generation Very Large Array, a proposed radio observatory, will be sensitive enough to spot signs of black holes in dwarf galaxies.

With the goal of detecting collisions of very massive black holes, the Laser Interferometer Space Antenna, or LISA, and the proposed Einstein Telescope may one day offer clues to how common cataclysmic black hole interactions are and have been.

Time and new technology will tell. For now, oddball black holes spark our imagination, prompting us to ask big questions and uncover new evidence in the pursuit of a deeper understanding of cosmic history. With each purported discovery, you can’t help but wonder: What else is hidden out there? Perhaps there are other oddities not yet discovered that could tie us to the earliest universe, Bellovary says, and reveal our cosmic origins. But only if we’re willing to chase the misfits and their stories.