L'Univers potser té una altra manera de fer forats negres

¿De quantes maneres es pot sortir d’aquest Univers?

Potser la via de sortida més coneguda és la mort d’una estrella. El 1939 el físic J. Robert Oppenheimer i el seu alumne Hartland Snyder, de la Universitat de Califòrnia, a Berkeley, van predir que, quan una estrella prou massiva es queda sense combustible termonuclear, col·lapsa cap endins i continua col·lapsant per sempre, embolcallant-se ben fort amb l’espai, el temps i la llum per formar el que avui anomenem un forat negre.

Però ara resulta que potser no cal una estrella morta per fer un forat negre. Es veu que, si més no a l’Univers primitiu, uns núvols gegants de gas primordial podrien haver col·lapsat per formar directament forats negres, i s'haurien estalviat així milions d’anys d’existència estel·lar.

Aquesta és la conclusió provisional a què han arribat fa poc un grup d’astrònoms que estudien l’UHZ-1, un punt de llum que es remunta a poc després del Big Bang. En realitat, l’UHZ-1 és (o era) un potent quàsar que escopia foc i rajos X des d’un monstruós forat negre fa 13.200 milions d’anys, quan l’Univers encara no havia arribat a l’edat de 500 milions d’anys. Des del punt de vista còsmic, era massa d’hora per a l’aparició d’un forat negre tan massiu creat a través de col·lapses i fusions estel·lars.

Una nova espècie celeste

Priyamvada Natarajan –astrònoma de Yale i principal autora d’un article publicat a l’Astrophysical Journal Letters– i els seus col·legues afirmen que amb l’UHZ-1 han descobert una nova espècie celeste, a la qual han donat el nom de galàxia de forat negre supermassiu. Es tracta, bàsicament, d’una galàxia jove unida a un forat negre que s’ha fet massa gros a una velocitat excessiva.

El descobriment d’aquest quàsar precoç podria ajudar els astrònoms a resoldre un enigma que els turmenta des de fa dècades. Gairebé totes les galàxies visibles a l’actual Univers semblen acollir al seu centre un forat negre supermassiu que és milions o milers de milions de vegades més massiu que el Sol. ¿D’on han sortit aquests monstres? ¿Els forats negres normals són capaços de créixer tant i tan de pressa?

Priyamvada Natarajan i els seus col·legues apunten que l’UHZ-1 i possiblement molts forats negres supermassius van començar com a núvols primordials. Aquests núvols potser van col·lapsar i van formar uns nuclis que eren precoçment pesants i, per tant, capaços d’impulsar el creixement de galàxies de forats negres supermassius. Són un altre recordatori que l’Univers que veiem es regeix per la geometria invisible de la foscor.

“Com a primer candidat a galàxia de forat negre supermassiu, l’UHZ-1 ens aporta proves convincents de la formació d’unes llavors inicials pesants a partir del col·lapse directe a l’Univers primitiu”, afirmen Natarajan i els seus col·legues. I en un correu electrònic ella afegeix: “Sembla que la natura té molts altres sistemes per produir llavors de forat negre, a part de la mort estel·lar!”

Com comenta Daniel Holz, un científic de la Universitat de Chicago que estudia els forats negres: “Si al final és veritat, la Priya ha trobat un forat negre apassionant. S’ha fet gros massa d’hora. És com si, en una aula de nens de 5 anys, n’hi hagués un que pesés 68 quilos i/o fes més d’1,80 d’alçada”.

Un desafiament al model vigent

Segons el relat sobre l’evolució de l’Univers que expliquen els astrònoms, les primeres estrelles es van condensar a partir de núvols d’hidrogen i heli que van quedar del Big Bang. Van cremar a elevades temperatures i molt de pressa, van esclatar ràpidament i van col·lapsar en forma de forats negres entre 10 i 100 vegades més massius que el Sol.

Al llarg dels eons es van anar formant successives generacions d’estrelles a partir de les cendres de les anteriors, i es va enriquir així la química del cosmos. I els forats negres resultants de la mort estel·lar es van anar fusionant i creixent d’una manera o altra per formar els forats negres supermassius que hi ha al centre de les galàxies.

El telescopi espacial James Webb, llançat el Nadal de fa dos anys, es va dissenyar per posar a prova aquesta idea. Està equipat amb el mirall més gros de l’espai, amb un diàmetre de 6,5 metres. I –més important encara– el van dissenyar també per enregistrar les longituds d’ona infraroges procedents de la llum de les estrelles més llunyanes i, per tant, més antigues de l’Univers.

Però tan bon punt el nou telescopi va apuntar cap al cel, hi va detectar noves galàxies tan massives i brillants que desbordaven les expectatives dels cosmòlegs. Aquests dos últims anys s’ha produït un acalorat debat sobre la possibilitat que aquestes observacions representin, en definitiva, una amenaça per a un model del cosmos vigent des de fa molts anys. Segons aquest model, l’Univers es compon d’un rastre de matèria visible, una sorprenent quantitat de “matèria fosca”, que aporta la gravetat necessària per mantenir unides les galàxies, i “energia fosca”, que separa aquestes galàxies.

El descobriment de l’UHZ-1 representa un punt d’inflexió en aquests debats. Per preparar una futura observació d’un grup massiu de galàxies a la constel·lació de l’Escultor a través del telescopi espacial James Webb, l’equip de Natarajan va demanar disposar d’un temps a l’Observatori de Raigs X Chandra de la NASA. La massa d’aquest grup de galàxies funciona com una lent gravitatòria que augmenta objectes molt llunyans a l’espai i el temps. Els investigadors tenien l’esperança d’obtenir una vista en rajos X de tot el que la lent pogués mostrar.

I el que van trobar va ser un quàsar alimentat per un forat negre supermassiu uns 40 milions de vegades més massiu que el Sol. Posteriors observacions del telescopi Webb van confirmar que es trobava a una distància de 13.200 milions d’anys llum. (El grup de l’Escultor és a uns 3.500 milions d’anys llum.) És el quàsar més llunyà i antic que s'ha trobat fins ara a l’Univers.

Com ha dit en un comunicat de premsa Akos Bogdan, del Centre d’Astrofísica de Harvard i l’Smithsonian: “Feia falta un telescopi com el Webb per trobar aquesta galàxia tan llunyana i un observatori com el Chandra per descobrir el forat negre supermassiu. També ens vam beneficiar d’una lupa còsmica que augmentava la quantitat de llum que vam detectar”.

Un altre sistema per fer forats negres

Els resultats indiquen que els forats negres supermassius existien ja 470 milions d’anys després del Big Bang. No era prou temps per a un creixement tan desmesurat dels forats negres creats per la primera generació d’estrelles, que tenien al començament entre 10 i 100 masses solars.

¿Hi havia un altre sistema per fer forats negres encara més grossos? El 2017 Priyamvada Natarajan va apuntar la possibilitat que uns núvols de gas primordial haguessin col·lapsat i donat a llum uns forats negres 10.000 vegades més massius que el Sol.

“Resulta, doncs, fàcil d’imaginar que un d’aquests forats pugui arribar a créixer fins a convertir-se en aquest forat negre jove i d’una grandària precoç”, diu Daniel Holz. En conseqüència, tal com ell mateix assenyala, “en tots els períodes posteriors de la història de l’Univers hi haurà sempre forats negres amb unes dimensions sorprenents”.

Segons Priyamvada Natarajan: “El fet que ja siguin molt massius quan comencen la seva existència vol dir que probablement evolucionaran per transformar-se al final en forats negres supermassius”. Però ningú sap com funciona tot això. Per bé que els forats negres representen el 10% de la massa del quàsar primitiu UHZ-1, constitueixen menys d’una mil·lèsima part de la massa de les actuals galàxies, com la galàxia gegant Messier 87, el forat negre de la qual pesava 6.500 milions de masses solars quan, el 2019, la va fotografiar l’Event Horizon Telescope (el telescopi de l’Horitzó d’Esdeveniments).

Això fa pensar que els complicats efectes de la retroalimentació ambiental regeixen el creixement i l’evolució d’aquestes galàxies i els seus forats negres, i fan créixer la massa de les seves estrelles i gas.

Com afirma la doctora Natarajan: “En efecte, aquestes galàxies tan antigues amb forats negres supermassius ens telegrafien molta més informació i ens il·luminen molt més sobre la física d’aquestes llavors que no el creixement i l’evolució posteriors. Tot i que tenen importants repercussions”.

I Daniel Holz conclou: “No hi ha dubte que, si al final resulta que això és el que passa, seria fantàstic, però soc un agnòstic total. De tota manera, al marge de com solucionem el misteri dels primers grans forats negres, serà una història fascinant”.