Por qué el misterio del enorme hoyo negro ha hecho vibrar a los científicos

Nota del editor: Don Lincoln es jefe de físicos en Fermilab; hace investigaciones con el Gran Colisionador de Hadrones. Escribió el libro The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind. Síguelo en Facebook. Las opiniones en esta columna pertenecen exclusivamente al autor.

(CNN) -- Para un científico, la perplejidad es el estado de ánimo más emocionante porque los fenómenos inesperados son, usualmente, la vía más directa a los descubrimientos. Una observación reciente de uno de los rincones más remotos del universo (un hoyo negro antiguo y enorme) ha hecho vibrar a la comunidad astronómica. Es difícil entender cómo fue que un hoyo negro se volvió tan grande hace tanto tiempo.

Generalmente, los hoyos negros son lo que queda de estrellas masivas que se consumieron. En un volumen lo suficientemente pequeño, contienen masa suficiente para doblar, literalmente, el espacio y el tiempo, al grado de que ni siquiera la luz puede escapar de ellos. Una clase de hoyo negro se origina en la muerte de una estrella; estos contienen la masa equivalente a treinta veces la de nuestro sol.

Hay otra clase de agujeros negros que son mucho más masivos y que se encuentran en el centro de las galaxias, como en nuestra Vía Láctea. La sorpresa científica reciente tiene que ver con un agujero negro del segundo tipo, con una masa de alrededor de 800 millones de veces la de nuestro sol, que existió cuando nuestro universo tenía apenas 690 millones de años de edad.

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¿Por qué es tan sorprendente? Los hoyos negros son como los humanos. Empiezan pequeños y crecen con el tiempo. Este agujero negro en particular existía cuando el universo tenía apenas el 5% de su edad actual y estaba tan lejos que la luz que indica su existencia apenas está llegando a la Tierra, tras viajar durante alrededor de 13.000 millones de años.

Para entender esta observación reciente, hay muchos datos científicos emocionantes y desconcertantes. El primer punto es que los agujeros negros son negros, valga la redundancia. No emiten nada de luz. Así, lo que los científicos observaron no fue el hoyo negro en sí, sino una cosa llamada cuásar. Los cuásares (abreviación de "objeto cuasiestelar") son las cosas persistentes más brillantes del universo. El primero se descubrió en 1962. Parecen ser pequeños y emiten energía prodigiosamente.

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La razón por la que parece que son tan pequeños es que están increíblemente lejos. Al principio eran un misterio; en la década de 1970 había toda clase de especulaciones sobre por qué estaban allí; incluso se pensaba que eran una especie de "agujero blanco", el otro lado de un agujero negro, en donde la masa y la energía de un agujero negro se emitía hacia nuestro universo.

Hoy sabemos que los cuásares son en realidad agujeros negros supermasivos que se encuentran en el centro de las galaxias. Estos monstruos celestiales tienen una masa de millones o de miles de millones de veces la de nuestro sol. Pero no todos los hoyos negros supermasivos son cuásares.

Para ser un cuásar, el agujero negro tiene que estar alimentándose, es decir, consumiendo el gas y las estrellas que lo rodean a un ritmo impresionante. Conforme esa materia cae en el olvido, alcanza temperaturas increíbles y emite luz. Esa es la luz que vemos y es la razón por la que sabemos que hay un agujero negro grande en el centro de esta galaxia distante.

Lo que se observó recientemente fue el cuásar más distante que se ha detectado. Obtuvo su energía de un hoyo negro enorme y ya existía en la infancia del universo. Ese es el misterio: ¿cómo es posible que un agujero negro supermasivo como ese existiera cuando el cosmos era tan joven?

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Los astrónomos entienden bastante bien los principios básicos de la evolución del universo. Todo comenzó hace unos 13.700 millones de años, en un evento conocido como Big Bang, cuando toda la materia del universo visible se comprimió hasta alcanzar un volumen diminuto. Por razones que aún no terminamos de dilucidar, "explotó" (a falta de una palabra mejor); al principio estaba muy caliente y fue enfriándose gradualmente. En cosa de tres minutos, los protones, neutrones y electrones que conforman la materia común existieron, aunque el universo estaba demasiado caliente como para que se formaran los átomos.

Unos 380.000 años después del Big Bang, el universo se había enfriado lo suficiente como para que se formaran los átomos de hidrógeno y helio. En ese punto, el universo se "oscureció". Era relativamente fresco, transparente, casi una nube uniforme de gas de hidrógeno y helio. Ese "casi" es importante porque hubo fluctuaciones muy pequeñas en la densidad de ese gas; las porciones más densas empezaron a atraer a otros gases cercanos y desencadenaron una serie de eventos que desembocaron en el universo que conocemos hoy.

Conforme el gas se concentró, se calentó; finalmente se formaron las estrellas y las galaxias. Las primeras galaxias se formaron cuando el universo tenía unos 180 millones de años de antigüedad, unos 500 millones de años antes de que existiera el cuásar que se observó recientemente.

Para nosotros, 500 millones de años pueden parecer mucho tiempo, pero en términos cósmicos, es apenas un parpadeo. El que este agujero negro haya crecido tanto en tan poco tiempo desafía nuestros modelos de formación de las galaxias primitivas. Las estrellas tendrían que haber nacido y muerto y tendrían que haberse transformado en agujeros negros que posteriormente se acumularon muy cerca en el centro de esa galaxia.

Luego, tuvo que haber habido un periodo en el que los agujeros negros se devoraron entre sí en una especie de frenesí caníbal cósmico. Sabemos que los hoyos negros pueden combinarse, como hemos podido observar recientemente. Sin embargo, es difícil entender por qué el proceso fue tan rápido y cómo es que pudo formarse un agujero negro tan increíblemente masivo, tan temprano en la historia del universo.

Entonces ¿qué explicaciones han dado los astrónomos a esta observación? Una es que se formó un gran agujero negro que consumió la materia que lo rodeaba a un ritmo vertiginoso. El problema con esta explicación es que conforme la materia se interna en el agujero negro, se calienta y genera una presión que repele a la demás materia que cae dentro. Entre más materia consume un agujero negro, más se calienta y más repele. Así, el proceso debería de autorregularse de cierta forma. Es difícil entender cómo es que el agujero pudo consumir tanta masa tan rápido y tan pronto después del Big Bang.

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Una segunda posibilidad, muy emocionante, es que los agujeros negros pesados se crearon mucho antes de lo que se esperaba en la historia del universo. Esto se debe a que es muy difícil entender cómo es que tantos agujeros negros supermasivos pudieron haberse combinado tan pronto en la historia del universo.

Como una posible solución, algunos astrónomos han postulado que los agujeros negros con masas de alrededor de mil veces la de nuestro sol se formaron apenas 66 millones de años después del Big Bang. Esta teoría tiene repercusiones emocionantes en el estudio de la materia oscura, otro misterio del cosmos. Se cree que hay cinco veces más materia oscura que materia ordinaria y que es invisible. Tal vez la materia oscura se componga de agujeros negros primitivos.

Es demasiado pronto para haber absorbido completamente el significado y las repercusiones de este descubrimiento, pero la situación es excitante. Los astrónomos tienen una observación nueva y desconcertante que podría cambiar la forma en la que entendemos una época esencial en la historia de nuestro universo. Es verdaderamente una época emocionante para ser científico.