Así pudieron nacer los primeros agujeros negros gigantes

Pero el telescopio espacial James Webb puede mirar tan lejos que observa el Universo cuando apenas habían transcurrido unos cientos de millones de años desde el Big Bang. Y sus observaciones han revelado sistemas estelares extraordinariamente compactos, en los que las distancias entre las estrellas eran, de hecho, mucho menores que las actuales.

¿Y qué pasaba cuando aquellos astros se encontraban en semejante atasco cósmico? Un estudio liderado por astrofísicos de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) acaba de proponer una respuesta sorprendente: chocaban entre ellas. Las colisiones estelares, de hecho, pudieron llegar a ser algo habitual en los cúmulos más densos del Universo temprano, hasta el punto de desencadenar cadenas de fusiones capaces de producir estrellas monstruosas. Algunas de esas nuevas y enormes estrellas terminarían convirtiéndose en grandes agujeros negros, quizá el primer paso para explicar el nacimiento de los agujeros negros supermasivos, los gigantes oscuros que hoy habitan los centros de las galaxias.

Un choque puede destruir una estrella… o crear otra mayor

El destino de una colisión estelar depende, entre otros factores, de la velocidad del encuentro. Si dos estrellas se precipitan una contra otra a gran velocidad, pueden quedar destruidas y liberar su materia al entorno. Pero si el choque es relativamente lento, pueden fusionarse y formar un único astro más masivo.

En un cúmulo extremadamente apretado, el proceso podría repetirse una y otra vez. Es decir, una estrella recién formada se encontraría con otra, crecería y tendría más posibilidades de sufrir nuevas colisiones y, por tanto, de crecer aún más. El resultado sería una especie de crecimiento por acumulación, una carrera hacia masas extraordinarias.

«Quizá el resultado más extraño de nuestras simulaciones sea que las estrellas pueden fusionarse repetidamente dentro del cúmulo hasta formar una estrella gigantesca con una masa equivalente a la de todo el cúmulo», explica Claire Williams, investigadora doctoral de UCLA y coautora del trabajo.

Pero el desenlace podría ser todavía más espectacular. «Cuando una estrella tan enorme llega al final de su vida -añade la investigadora-, los modelos sugieren que quizá no tenga otra opción que colapsar sobre sí misma y formar un agujero negro masivo».

La pista de los misteriosos puntos rojos

La investigación, disponible en el servidor arXiv, conecta este mecanismo con uno de los enigmas que el propio telescopio James Webb ha puesto sobre la mesa: los llamados ‘little red dots’, o pequeños puntos rojos, fuentes extremadamente compactas y rojizas del universo distante y cuya naturaleza todavía es objeto de debate. A simple vista, parecen meras motitas escarlatas perdidas en la negrura espacial, pero los científicos sospechan que estas reliquias del amanecer cósmico ocultan inmensos agujeros negros creciendo a un ritmo furioso en su interior.

El modelo desarrollado por Williams y su equipo ofrece una explicación sumamente elegante a la cuestión: esos puntos rojos podrían ser, en realidad, densos cúmulos estelares donde las continuas colisiones están esculpiendo estrellas gigantes precursoras, es decir, los embriones de futuros agujeros negros.

«Los pequeños puntos rojos -explica por su parte la astrofísica de la UCLA Smadar Naoz, coautora de la investigación- son un tema candente en astronomía. Se pueden comparar los estudios de las personas que intentan entenderlos con el cuento de los ciegos que intentan describir un elefante palpándolo, y cada uno lo describe de manera diferente según la parte que esté tocando. Nuestra investigación conecta varias de esas perspectivas y puede ayudarnos a ver una parte mayor del elefante».

La comparación ilustra bien el problema: diferentes observaciones pueden ofrecer explicaciones aparentemente contradictorias de una misma población de objetos. El nuevo modelo intenta reunirlas en un escenario común, aunque no demuestra que todos los puntos rojos tengan ese mismo origen.

El eslabón perdido de la astrofísica

Según el estudio, este violento escenario podría explicar también el origen de los misteriosos agujeros negros de masa intermedia. Podemos pensar en ellos como el ‘eslabón perdido’ de la astrofísica: son mucho más grandes que los agujeros negros estelares comunes (fruto de la muerte de una estrella estándar), pero minúsculos si los comparamos con los millones de masas solares de los colosos que habitan los núcleos galácticos. Hoy en día son casi imposibles de observar, pero en las singulares condiciones del Universo temprano, cuando no existían grandes galaxias espirales sino masas caóticas de formación estelar, tenían su caldo de cultivo perfecto.

Después, una vez que el agujero negro intermedio nace en el corazón del cúmulo, las reglas del juego cambian por completo. Su inmensa gravedad actúa como un acelerador de partículas. Las estrellas cercanas comienzan a girar a velocidades supersónicas y los choques a su alrededor se vuelven tan devastadores que desintegran los astros en lugar de fusionarlos. Esto libera torrentes de gas que alimentan el frenético crecimiento del abismo central.

Se trata, además, de un mecanismo cuyas cicatrices aún podemos ver. «Un lugar en el universo cercano donde las colisiones entre estrellas son comunes es el centro galáctico», señala Williams. El corazón de nuestra propia Vía Láctea es un claro análogo. «En nuestro modelo, una vez que estas estrellas muy masivas se convierten en agujeros negros de masa intermedia, el sistema se parece a nuestro propio centro galáctico, que es un agujero negro rodeado por un denso cúmulo de estrellas».

Como concluye la investigadora: «Los cúmulos estelares densos proporcionan un lugar de nacimiento natural para las semillas de agujeros negros masivos. Y el mismo entorno que forma el agujero negro también puede proporcionar estrellas y gas que influyan en su crecimiento posterior».

Lo anterior, sin embargo, no significa que todas las estrellas del Universo joven chocaran entre sí, ni que el misterio de los primeros agujeros negros esté resuelto. El trabajo presenta un modelo teórico, no una observación directa de aquellas colisiones. Pero dibuja una vía plausible para explicar cómo, en un cosmos mucho más compacto y turbulento que el actual, algunos astros pudieron acabar convertidos en los gigantes oscuros que hoy dominan el corazón de las galaxias.