Si los primeros agujeros negros colapsaran directamente, ¿podríamos detectar señales de radio en esos momentos?

El universo está lleno de agujeros negros supermasivos. Hay uno a solo 30.000 años luz de distancia, en el centro de la Vía Láctea. La mayoría de las galaxias tienen una y algunas tienen más masa que mil millones de estrellas. Sabemos que muchos agujeros negros supermasivos se formaron temprano en el universo. Por ejemplo, el quásar TON 618 está alimentado por un agujero negro con una masa solar de 66 mil millones. Dado que su luz viaja casi 11 mil millones de años para alcanzarnos, TON 618 ya era enorme cuando el universo tenía solo unos pocos miles de millones de años. Entonces, ¿cómo crecieron estos agujeros negros tan masivos tan rápidamente?

Una idea es que algunos de los las primeras estrellas fueron gigantes. Con una masa de más de 10.000 soles, una estrella de este tipo tendría una vida muy corta y colapsaría rápidamente en un gran agujero negro. Estos primeros agujeros negros actuarían como semillas en el centro de una galaxia, consumiendo material cercano para crecer rápidamente en tamaño. Algunos de ellos incluso chocaron y se fusionaron para formar un agujero negro aún más grande. Si bien este es un modelo razonable, las simulaciones por computadora encuentran que este proceso lleva mucho tiempo. Este proceso no puede producir los tipos de agujeros negros que vemos en el universo temprano, como TON 618.

Otra idea se conoce como escenario de colapso directo. En este modelo, se forma un pequeño agujero negro supermasivo de una vez. El gas denso en medio de una protogalaxia se enfría lo suficiente como para colapsar por su propio peso, formando un agujero negro. Dado que estos agujeros negros tendrían una ventaja enorme, pueden crecer rápidamente y convertirse en los agujeros negros supermasivos que observamos.

Hasta ahora no hemos podido observar un agujero negro en colapso directo (DCBH). Hace unos años, algunos candidatos para DCBH fueron descubiertos por sus señales infrarrojas. Esto se puede confirmar cuando los telescopios espaciales James Webb se lancen (posiblemente) a finales de este año. Pero recientemente un estudio sostiene que podemos observar DCBH por sus firmas de radio.

Cuando los agujeros negros consumen activamente materia cercana, pueden crear poderosos chorros de plasma caliente. Estos chorros tienen un volumen de radio y son una de las formas en que identificamos los agujeros negros supermasivos. Los agujeros negros que colapsan directamente deberían tener chorros similares, pero el material del chorro sería más denso. Y dado que los DCBH se formarían temprano en el universo, sus señales de radio estarían más desplazadas al rojo. Este último trabajo sostiene que la firma de radio de los DCBH sería similar en estructura, pero fácilmente distinguible de los chorros de radio que vemos hoy. La firma también sería diferente de los chorros creados por agujeros negros semilla.

Desafortunadamente, estos radiotelescopios actuales no pueden ver estas fuentes de radio de alto corrimiento al rojo. Pero deberían ser lo suficientemente brillantes para ser detectados por Square Kilometer Array (SKA) y el Very Large Array propuesto de próxima generación (ngVLA).

Referencia: Yue, B. y A. Ferrara. «Señales de radio de los primeros agujeros negros en colapso directo. » Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society 506.4 (2021): 5606–5618.