La Astrofísica se Pone de Cabeza: Los Agujeros Negros Vienen Primero

Artículo por: William Brown y la Dra. Amira Val Baker, Científicos de Resonance Science Foundation 

Los agujeros negros supermasivos observados por primera vez en la época más temprana de la formación de estrellas y galaxias, están indicando que los agujeros negros se forman primero y guían la posterior acreción y estructuración de estrellas y galaxias.

El físico Nassim Haramein lleva décadas exponiendo una idea controvertida en astrofísica: las estructuras, desde las partículas elementales hasta las galaxias y el propio universo, son el resultado de geometrías del espaciotiempo infinitamente curvadas, conocidas popularmente como agujeros negros. En esencia, esto significa que todas las cosas que consideramos materiales, objetos físicos, de hecho sólo parecen sustanciales debido a la geometría y la torsión del espaciotiempo en estas regiones. Tal y como afirmaron Charles Misner y John Wheeler:

No hay nada en el mundo excepto el espacio curvo vacío. La materia, la carga, el electromagnetismo y otros campos son sólo manifestaciones de la curvatura del espacio. La física es geometría - la física clásica como geometría ( classical physics as geometry).

La teoría de Haramein es contraria al modelo convencional de formación galáctica, estelar y de agujeros negros. Busca cualquier fuente y esta describirá invariablemente cómo se forman los agujeros negros a partir del colapso del núcleo de las estrellas masivas (de más de 20 masas solares). En resumen, el modelo convencional afirma que una vez que una estrella masiva ha alcanzado su límite de fusión termonuclear continuada -que incluso para las estrellas más masivas se detiene en el elemento hierro- entonces ya no hay suficiente energía que irradie hacia el exterior para contrarrestar la fuerza gravitatoria interior de la estrella. Así, la estrella sufre un colapso gravitatorio, formando un remanente estelar en forma de enana blanca, estrella de neutrones o agujero negro.

Por cierto, se está gestando otra crisis en la astrofísica, ya que ha quedado claro que el modelo convencional no puede explicar de dónde proceden los elementos más pesados que el hierro: antes se suponía que todos los elementos más pesados que el hierro se formaban durante la explosión de supernovas resultante del colapso del núcleo de las estrellas masivas, pero los cálculos han demostrado que no es una hipótesis viable. Curiosamente, los agujeros negros (concretamente los agujeros negros primordiales, que no son el resultado del colapso gravitatorio estelar), han sido implicados en la formación de elementos más pesados que el hierro.

Modelo convencional de formación estelar.

Volviendo a los procesos finales que "terminan" la vida de nuestra estrella masiva, una vez que la presión radiativa hacia el exterior desaparece, la estrella comienza a colapsar. Si la estrella supera el límite Tolman-Oppenheimer-Volkoff (límite TOV), su masa será tan grande que el núcleo colapsará en una singularidad, curvando infinitamente el espaciotiempo, formando un agujero negro, mientras que las capas exteriores de la estrella se comprimen en un evento final de fusión termonuclear que libera la energía equivalente a miles de millones de estrellas, conocido como supernova. La supernova envía ondas de choque de plasma y "materia estelar" hacia fuera, lo que puede desencadenar la condensación gravitacional en nebulosas, dando a luz a más estrellas, mientras que el núcleo que ha colapsado hasta convertirse en una singularidad, queda enmascarado tras un límite luminoso conocido como horizonte de sucesos.

Singularidades y puentes de Einstein-Rosen

Este es el modelo convencional en pocas palabras: los agujeros negros, las estrellas de neutrones y las enanas blancas, son los cadáveres de las estrellas muertas.

Hay numerosos problemas con esta teoría, pero quizá ninguno ha sido tan inquietante para los astrofísicos como la reciente observación de agujeros negros supermasivos que residen en el borde del universo visible y, por tanto, son algunas de las estructuras más antiguas del universo. Esto es un problema, porque si los agujeros negros se forman a partir del colapso estelar, entonces ¿cómo pueden estar presentes los agujeros negros supermasivos cuando las primeras estrellas estaban empezando a formarse? Según el modelo de Haramein, la respuesta es sencilla: los agujeros negros se formaron primero, durante las primeras épocas del universo, cuando las densidades de energía eran extremadamente grandes, y luego actuaron como centros de nucleación que guiaron la formación de estrellas y galaxias.

Modelo de formación estelar de Nassim Haramein en el cual, al inicio, el gas de Hidrógeno se condensa alrededor del agujero negro primordial.

La idea puede parecer sorprendente, pero si se observan los modelos estándar de la cosmología, se sabe que inmediatamente después del llamado Big Bang, las densidades de energía serían tan grandes que se producirían agujeros negros en grandes cantidades. Es más, los cálculos muestran que el tamaño del agujero negro está determinado por la evolución temporal que sigue al Big Bang, es decir, que los agujeros negros más pequeños que una masa estelar, podrían haberse formado en las primeras etapas, conocidos como agujeros negros primordiales (PBH). Así, en el tiempo de Planck, después del Big Bang, que es de ~10^-43s, se formarían agujeros negros de la masa de Planck (~10^-5g) (véase Bernard Carr, Quantum Black holes as the Link Between Microphysics and Macrophysics, 2017) .

Haramein ha utilizado estos agujeros negros del tamaño de Planck, denominados como Osciladores Esféricos de Planck, en su artículo: Quantum Gravity and the Holographic Mass (Gravedad Cuántica y la Masa Holográfica), para calcular la masa exacta de los objetos, desde las partículas elementales hasta las estrellas y los agujeros negros astronómicos, utilizando cuantos del espaciotiempo, descubriendo una solución gravitacional cuántica invariable a escala.

Un segundo después del Big Bang, se formarían PBH de 100 mil masas solares. Por lo tanto, en el lapso entre un segundo de Planck y 1 segundo, se habría formado una enorme gama de masas de agujeros negros. Obsérvese que se suele sostener que los agujeros negros del tamaño de un protón o más pequeños (~10¹⁵g), se "evaporarían" casi inmediatamente debido a la radiación Hawking, sin embargo, hay buenas razones para creer que la radiación Hawking no es un proceso puramente evaporativo, sino que, de hecho, las fluctuaciones cuánticas de masa alrededor del horizonte de sucesos pueden alimentar a los agujeros negros, manteniendo su masa constante o incluso aumentándola (véase Maroc Spaans, On Quantum Contributions to Black Hole Growth, 2013).

Incluso si se considera la radiación de Hawking en su forma desnuda, que estipula que la tasa de evaporación está inversamente correlacionada con la masa del agujero negro, investigadores como Rovelli y Vidotto han descrito cómo los agujeros negros del tamaño de un protón parecerán "congelarse" debido a la dilatación del tiempo, y por lo tanto parecerán estables para los marcos de referencia exteriores (todos aquellos que no incluyan el horizonte de sucesos o que viajen a la velocidad de la luz) durante períodos más largos que la edad actual del universo (véase nuestro artículo:  Planck Stars: quantum gravity research ventures beyond the event horizon).

La observación de esta formación temprana plantea la intrigante cuestión de si los protones podrían ser agujeros negros primordiales. Asimismo, ¿podrían haberse formado agujeros negros supermasivos en un breve período posterior al Big Bang, donde estarían presentes durante la primera formación estelar (conocida como estrellas de población III)? Los cosmólogos suelen dar un valor de corte para la formación de PBH de unos cientos de masas solares, pero las observaciones recientes están sugiriendo que el modelo no es del todo exacto. Estas observaciones incluyen la detección de agujeros negros fuera del rango de masa previsto por el modelo convencional de colapso estelar, detectados mediante el observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser (LIGO). Estos agujeros negros "anómalos" estaban por encima del rango de masa esperado de 10 a 20 masas solares (lo que ha planteado la posibilidad de que la llamada materia oscura pudiera ser agujeros negros primordiales). Una destacada observación reciente que está poniendo en tela de juicio el modelo actual es la observación de cuásares en el borde del universo visible, con uno que reside a 13.040 millones de años luz de la Tierra (lo que significa que se formó antes de 690 millones de años después del Big Bang) y que alberga un agujero negro cercano a los mil millones de masas solares.

¿Alimentando agujeros negros?

Cuando los astrónomos se remontan a las primeras épocas del universo, se observa que hay objetos en el límite del universo visible, es decir, que recibimos la luz que emitieron hace cerca de 13.000 millones de años.

Desde su descubrimiento, los científicos han acabado por comprender la naturaleza de estos enigmáticos progenitores luminosos, se trata de galaxias jóvenes que son extremadamente luminiscentes debido a la actividad de un agujero negro supermasivo en su centro, lo que se conoce como núcleos galácticos activos (AGN). Este hecho fue un importante hallazgo que corroboró el modelo de Haramein sobre la formación de galaxias y estrellas, ya que el concepto clave es que los agujeros negros están en el centro de todas las galaxias, donde actúan como centros de nucleación para la acreción de galaxias, también determinan el número de estrellas que se forman y ejercen una influencia general considerable en la arquitectura de los sistemas galácticos.

.

Recientes estudios del SDSS (Sloan Digital Sky Survey) han encontrado un cuásar que existió 690 millones de años después del "big bang". Se calcula que para que un cuásar sea visible a distancias tan grandes, la masa del agujero negro supermasivo central debería ser de unos mil millones de masas solares. Según las teorías convencionales sobre la formación y el crecimiento de los agujeros negros -por medio de la muerte estelar-, este supera con creces la masa esperada, que se ha calculado convencionalmente y que dice que los agujeros negros en esta etapa de la evolución cósmica sólo tienen unos cientos de masas solares. Nota: esta masa predicha para los primeros agujeros negros se basa en la suposición de que estos agujeros negros "semilla" son restos de las primeras estrellas -conocidas como estrellas Pop III- que se formaron como resultado del enfriamiento del gas primordial cuando el Universo tenía aproximadamente 200 millones de años.

El modelo cosmológico convencional sugiere que, dado que estos agujeros negros originales se estarían formando muy cerca, acabarían fusionándose para formar agujeros negros más masivos de varios miles de masas solares. Sin embargo, aunque sean más masivos, aún no lo son lo suficiente como para explicar las masas previstas de los agujeros negros estelares de los cuásares que vemos hoy en día.

Entonces, ¿cómo surgieron estos gigantes tan pronto?

Agujeros negros de colapso directo y tasas de alimentación Super-Eddington

Una posibilidad es que los primeros agujeros negros sufrieran algún periodo de crecimiento extraordinario no previsto hasta ahora. La tasa de alimentación óptima de un agujero negro se basa en el límite de Eddington, que describe la tasa máxima de crecimiento. Según el límite de Eddington, con un crecimiento exponencial un agujero negro de 10 masas solares podría crecer hasta convertirse en un agujero negro de mil millones de masas solares en unos mil millones de años.

Si se mantiene que los primeros agujeros negros proceden de estrellas de la población III, entonces tendrían que alimentarse a una velocidad superior a la de Eddington. Esto es teóricamente posible en entornos ricos en gas denso típicos del universo primitivo. Sin embargo, este hecho sólo sería posible durante cortos periodos de tiempo, y también podría provocar una amortiguación, ya que la radiación emitida durante los periodos de super-Eddington detendría, en efecto, el crecimiento del agujero negro. Por tanto, este escenario sería una rareza.

Otra hipótesis que han sugerido la astrofísica Priyamvada Natarajan y sus colegas es que las primeras semillas de agujeros negros podrían haberse formado sin muertes estelares. En su lugar, Natarajan et al. sugieren que se formaron directamente a partir de gas, lo que se conoce como Agujeros Negros de Colapso Directo (DCBH). Estos objetos se habrían formado unos cientos de millones de años después del big bang con masas de entre 10 y 100 mil masas solares.

Por lo general, los grandes discos de gas se enfrían y se fragmentan instigando el crecimiento estelar y la formación de galaxias. Sin embargo, según el modelo de Natarajan, los grandes aglomerados de gas colapsarían en densos cúmulos que formarían directamente agujeros negros semilla de 10.000 a 1 millón de masas solares. Ella llega a la conclusión de que esto podría ocurrir si se detuvieran los procesos normales de enfriamiento, es decir, si la formación de hidrógeno molecular, que ayuda al enfriamiento del disco, se detuviera de forma que el disco permaneciera caliente. El disco estaría entonces demasiado caliente para formar estrellas y, además, sería dinámicamente inestable, lo que provocaría una contracción hasta el colapso final, formando un agujero negro, concretamente un DCBH.

A medida que estos agujeros negros semilla crecen, alcanzan brevemente un punto en el que su masa es mayor que la de todas las estrellas de su galaxia madre. Durante este breve momento, la galaxia madre se denomina galaxia de agujero negro obeso (OBG). La masa de todas las estrellas de una galaxia suele ser 1000 veces mayor que la del agujero negro central, por lo que una OBG tendría una señal espectral única, sobre todo en la longitud de onda infrarroja del espectro. Natarajan espera que con el lanzamiento del telescopio James Webb en 2019 pueda encontrar pruebas de esta señal espectral única y así demostrar la existencia de los DCBH.

Importancia para la física unificada de Nassim Haramein

Como ya se ha dicho, el modelo de Haramein sobre la formación temprana de los agujeros negros y su importancia para la evolución y el desarrollo de las primeras estrellas y galaxias, está recibiendo pruebas que lo corroboran, ya que los datos empíricos que llegan, indican claramente que se trata de una teoría más precisa que el modelo convencional. A medida que otros investigadores trabajan para dar sentido a las nuevas observaciones y a sus contradicciones con la teoría existente, sus nuevos modelos están llegando a parecerse mucho a la parte cosmológica del modelo de la física unificada de Haramein. Se trata de una buena señal, porque los avances en esta dirección pueden llevar a la mayoría de la comunidad científica a la teoría de la física unificada de Haramein, que resuelve la materia oscura, la formación y evolución de las estrellas y galaxias, la expansión universal y otros temas no resueltos de la cosmología y la astrofísica.

Referencias:

1360. Mezcua J. Hlavacek-Larrondo J. R. Lucey  M. T. Hogan  A. C. Edge B. R. McNamara. The most massive black holes on the Fundamental Plane of black hole accretion. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 474, Issue 1, 11 February 2018, Pages 1342–1360.

Fabio Pacucci, Priyamvada Natarajan, Marta Volonteri, Nico Cappelluti, C. Megan Urry. Conditions for Optimal Growth of Black Hole Seeds. The Astrophysical Journal Letters, Volumen 850, Número 2, 1 Diciembre, 2017.

Priyamvada Natarajan. The Puzzle of the First Black Holes. Scientific American, 1 Febrero, 2018.