Sophie Koudmani es una astrofísica de la Universidad de Cambridge que busca respuestas a este problema. Live Science se reunió con ella en el evento New Scientist Live en Londres para hablar sobre los monstruos cósmicos, cómo pudieron formarse y cómo su trabajo con supercomputadoras para simularlos podría reescribir la historia de nuestro universo.

---

Ben Turner: ¿Por qué son tan importantes los agujeros negros supermasivos para comprender nuestro universo?

Sophie Koudmani: En el universo, todo está conectado y los agujeros negros supermasivos desempeñan un papel muy importante. Generan una enorme cantidad de energía que proviene de la región que los rodea. A medida que el gas cae en ellos, su energía potencial gravitatoria 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 hasta alcanzar millones de grados y su radiación influye en toda la galaxia. Impide que el gas se aglomere para formar estrellas, deteniendo así la formación estelar de una manera importante para producir galaxias realistas. La energía [de los agujeros negros supermasivos] puede entonces viajar aún más lejos e influir en la estructura a gran escala del universo , lo que es realmente importante para la cosmología y para comprender la evolución cósmica.

BT: Entonces, cuando hablas de la energía que fluye hacia afuera, te refieres a chorros relativistas, o flujos de salida a velocidades cercanas a la de la luz desde algunos agujeros negros, ¿verdad?

SK: Sí. Hay tres formas en que los agujeros negros «hablan» a sus galaxias anfitrionas. Una es a través de chorros relativistas, otra es mediante vientos emitidos por el disco de acreción (la estructura en forma de nube de gas, polvo y plasma que orbita los agujeros negros) —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 has mencionado este tema, pero ¿cómo se verían las galaxias si no existieran los agujeros negros?

SK: Lo que se podría obtener sería lo que se suele denominar «formación estelar descontrolada». Todo el gas se consumiría muy rápidamente y se formarían bolas de estrellas. Las galaxias no tienen este aspecto. Para obtener las galaxias de disco [que vemos en nuestro universo] es muy importante tener algún tipo de agujero negro. Es necesario obtener una proporción realista entre gas y estrellas, sin que se las traguen de inmediato.

BT: ¿Qué le llevó a estudiar los agujeros negros? ¿Qué preguntas quiere responder sobre ellos?

SK: Una cosa que realmente me gusta de los agujeros negros supermasivos es que son aparentemente simples, pero luego se desprenden de ellos una física increíblemente rica. En realidad, se pueden caracterizar los agujeros negros con sólo dos números (su masa y su giro) y eso te dice exactamente cómo se comportan; se llama » teorema de la ausencia de pelo «. A partir de estos dos números se pueden obtener todas estas diferentes posibilidades. Por ejemplo, algunos agujeros negros tienen chorros y otros no, algunos tienen discos de acreción que brillan intensamente y otros están completamente en silencio. Es la interacción con las galaxias lo que hace que esto se manifieste.

Por lo tanto, se trata de un objeto simple en el centro que puede ser increíblemente poderoso. Interactúa con algo que puede ser bastante complejo y desordenado, la galaxia: se encuentran el gas, el polvo, las estrellas, todo ello unido 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 describieras como simples, porque en la física relativista es donde fallan todas nuestras ecuaciones y donde podríamos buscar teorías de la gravedad cuántica. ¿Parecen simples sólo porque nuestras teorías sobre ellas lo son?

SK: Depende de lo que te interese. Si te interesa lo que ocurre dentro del horizonte de sucesos, entonces sí, claro, la singularidad es el punto en el que nuestras teorías se desmoronan. No sabemos exactamente qué otros fenómenos físicos, como la radiación de Hawking , podrían provenir del interior del agujero negro.

Si te preocupa 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, puedes estar muy contento de localizar el horizonte de sucesos, ver qué hace en 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 el JWST sobre los agujeros negros que no conocíamos antes?

SK: No sabíamos que habría tantos agujeros negros supermasivos en una época tan temprana. Existen en cantidades tan grandes [en el universo primitivo] y en el interior de galaxias muy pequeñas, eso fue sorprendente.

Mi doctorado se centró en la modelización de agujeros negros en galaxias pequeñas. Tuve suerte de trabajar en ese campo porque se ha vuelto muy relevante para el universo primitivo. El JWST nos dice que la actividad de los agujeros negros se produjo en épocas muy tempranas 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 sobre 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, por lo que las entradas de gas eran más fuertes, lo que podría haber ayudado a alimentar los agujeros negros.

Un problema es que los agujeros negros y las supernovas compiten entre sí. Tanto la formación de estrellas como los agujeros negros consumen gas. El agujero negro expulsa el gas, lo mismo que las supernovas, y las supernovas también evacuan el gas de la región central, y entonces 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 sucediera tanto y el agujero negro simplemente ganara en ese proceso.

De hecho, hay indicios sólidos de que los agujeros negros triunfaron [en el universo primitivo]. Casi sugiere, debido a lo masivos que son, que se formaron más rápido que sus galaxias anfitrionas.

BT: También mencionaste la eficiencia de los agujeros negros. ¿Qué significa eso? ¿Cómo pueden tener eficiencia los agujeros negros?

SK: Hay varias maneras. Una de ellas es, cuando absorben gas, ¿cuánta acreción [la velocidad a la que crece el disco de acreción] hay? Existe algo llamado límite de velocidad del 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 que siempre hay cierta teoría y suposiciones detrás, y algunas de esas suposiciones pueden ser erróneas. De hecho, Webb nos ha demostrado que están claramente equivocados en esos escenarios porque logran superar el límite y crecer aún más rápido.

BT: ¿Y por qué entonces esa eficiencia disminuye a medida que llegamos a las últimas etapas del cosmos, el universo local?

SK: Por lo tanto, si hay más formación de estrellas, simplemente hay menos gas a su alrededor. Por lo tanto, las galaxias podrían volverse cada vez más pobres en gas, parte de él podría ser expulsado a otro lugar, parte podría convertirse en estrellas y parte podría ser consumido por agujeros negros. Las galaxias muy antiguas suelen estar dominadas por sus estrellas, las llamadas galaxias elípticas.

BT: ¿Cómo se forman los agujeros negros? Hay tres formas clave, ¿no? Cuéntanoslas.

SK: El primero es el de la primera generación de estrellas, que habrían sido mucho más masivas que nuestro Sol, unas 100 veces más que su masa. Cuando llegan al final de su vida y colapsan, se convierten en agujeros negros. Este podría ser un buen punto de partida [para los agujeros negros supermasivos], o podría ser un desafío, ya que comenzamos con 100 [masas solares] y queremos llegar a 1 millón.

Un punto de partida mucho más sencillo serían las enormes nubes de gas, que colapsan directamente y forman agujeros negros y tienen una masa que ronda las 100.000 veces la 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 estelares nucleares, en el que muchas estrellas se generan en el centro de las galaxias y colapsan formando agujeros negros.

BT: También existe otra opción: la hipótesis de los agujeros negros primordiales, posibles reliquias de una época anterior al Big Bang. Es una teoría muy descabellada, ¿hay muchas pruebas de que exista?

SK: Es una teoría muy arriesgada. Cada vez le damos más restricciones, pero no la descartamos. Creo que lo interesante de esta cuestión en este momento es que no se descarta nada. Las restricciones se hacen 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: Hay quienes dicen que, ahora que hemos descubierto agujeros negros masivos en etapas tan tempranas del universo, eso significa que se formaron a partir de un colapso directo. Hay varios artículos publicados que sugieren que las observaciones así lo demuestran.

Pero lo que estamos haciendo ahora es revisar nuestros modelos de cómo crecieron los agujeros negros en el universo primitivo para ver si todavía hay otras opciones para otros modelos. Especialmente si los agujeros negros crecen de manera eficiente, todavía hay tiempo suficiente para que crezcan a partir de una semilla muy ligera. Así que diría que en este momento, lo emocionante es que ninguno de los modelos está descartado.

BT: ¿Cómo buscamos respuestas? Ya hemos mencionado que el JWST detectó agujeros negros cada vez más tempranos. ¿Estamos explorando otras vías para encontrar respuestas?

SK: Una forma realmente interesante es con las ondas gravitacionales. [Detectarlas] nos permitirá mapear la población de agujeros negros supermasivos de una manera completamente diferente. Porque ahora mismo, a menos que un agujero negro esté muy cerca de nosotros y podamos mapear 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 nos llevaría al universo primitivo, porque estos instrumentos serían increíblemente sensibles. Entonces podremos detectar señales de fusión 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 la observación y la simulación. Por lo tanto, una observación, por ejemplo, los primeros agujeros negros supermasivos, nos da algo que explicar. Eso significa que tal vez tengamos que ajustar los modelos para tener en cuenta ese tipo de crecimiento en una etapa temprana. Las simulaciones nos ayudan a saber qué buscar y, cuando volvamos a recibir esas observaciones, podremos ajustar nuestros modelos nuevamente.

Trabajo en estrecha colaboración con los observadores y soy parte de un gran programa del JWST que realizará observaciones el próximo año y hará 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 estará en funcionamiento en la década de 2030. Entonces finalmente podremos medir las ondas gravitacionales no solo de los agujeros negros pequeños, sino también de los agujeros negros supermasivos. Para hacerlo, es necesario estar en el espacio.

También soy bastante nerd en lo que se refiere a codificación y creación de 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 la IA para acelerar nuestras simulaciones, para hacerlas aún más precisas y para intentar unir todas las escalas, desde el enorme espacio de la red cósmica hasta los horizontes de sucesos. Esto es algo que es imposible de hacer incluso directamente en este momento, porque los recursos computacionales de incluso las supercomputadoras más grandes y mejores lo consideran demasiado intensivo, pero podemos utilizar la IA para desarrollar soluciones para eso.

Nota del editor: Esta entrevista ha sido condensada y editada para mayor claridad.