Un equipo de investigadores de la Escuela Internacional Superior de Estudios Avanzados en Trieste, Italia, acaba de hacer la estimación más precisa hasta ahora de cuántos agujeros negros de masa estelar (los que se forman tras el colapso gravitatorio de estrellas muy masivas) existen en el Universo. Y el resultado es un número realmente enorme, tanto que puede parecer imposible de calcular. 40 trillones, esto es, un 4 seguido de 19 ceros: 40.000.000.000.000.000.000. Y eso equivale al 1% de toda la materia bariónica (la materia ‘normal’, ni oscura ni exótica), de la que están hechos los planetas y las estrellas del Universo.

En un artículo publicado hace unos días en ‘ The Astrophysical Journal’, los científicos explican el ingenioso método que les ha permitido llegar a esa cifra.

Por definición, un agujero negro no puede verse, ya que ninguna luz o radiación puede escapar de su enorme gravedad. De hecho, los astrónomos sólo consiguen observar directamente a los agujeros negros supermasivos, con masas equivalentes a miles de millones de soles, ya que estos monstruos hacen que la materia que atraen gire a grandes velocidades a su alrededor, empiece a brillar y revele así el contorno del agujero negro.

Pero con los de masa estelar, entre cinco y diez veces el Sol, la cosa es bien distinta. A veces es posible revelar su presencia por los efectos gravitatorios locales que esos agujeros negros provocan en su entorno, pero en su inmensa mayoría resultan absolutamente invisibles. Y nadie hasta ahora había conseguido estimar su número. ¿Cómo lo consiguió entonces el equipo de Trieste?

Rastreando la evolución estelar

Según el astrofísico Alex Sicilia, primer firmante del estudio, lo que hicieron fue rastrear la evolución de las estrellas en nuestro universo, es decir, estimar con qué frecuencia las estrellas, ya sean solas o binarias, se transforman en agujeros negros. «Este es uno de los primeros y uno de los más sólidos cálculos ab initio [desde cero] de la función de masa del agujero negro estelar en la historia cósmica», dijo Sicilia.

Para ‘fabricar’ un agujero negro, lo primero que se necesita es una estrella grande con una masa entre cinco y diez veces la del Sol. Como se sabe muy bien, a medida que las estrellas llegan al final de sus vidas, empiezan a fusionar elementos cada vez más pesados dentro de sus ardientes núcleos. Pero al llegar al hierro la estrella, si tiene la masa adecuada, tiene ya los días contados. El hierro, de hecho, consume más energía para fusionarse de la que emite, lo que hace que deje de ’empujar’ y oponerse a las fuerzas gravitatorias generadas por su propia masa y que tratan de comprimirla. Al final, la gravedad gana la batalla y aplasta sin piedad a la estrella, ’empaquetando’ toda su masa más y más hasta convertirla en un simple punto de dimensiones microscópicas y densidad infinita: una singularidad. La estrella se convierte en un agujero negro del que ya nada, ni siuiera la luz, podrá volver a escapar jamás.

Un modelo estadístico

Para llegar a su estimación de 40 trillones, los investigadores utilizaron estadísticas conocidas de varias galaxias, como sus tamaños, los elementos que contienen y los tamaños de las nubes de gas en las que se forman las estrellas, y con ellas construyeron un modelo del universo que reflejaba con precisión los diferentes tamaños de estrellas que se formarían, y con qué frecuencia se crearían.

El paso siguiente fue precisar cuántas estrellas podrían eventualmente transformarse en agujeros negros, y modelar cómo serían sus vidas y muertes usando datos como su masa y su metalicidad, un rasgo que indica la abundancia de elementos más pesados que el hidrógeno o el helio. De este modo Sicilia y sus colegas hallaron qué porcentaje de esas estrellas candidatas se transformarían en algún momento en agujeros negros. Al observar también las estrellas emparejadas en sistemas binarios y calcular la velocidad a la que los agujeros negros pueden encontrarse y fusionarse, los investigadores se aseguraron de que no estaban contando dos veces ningún agujero negro en su encuesta.

Con estos cálculos en la mano, los científicos diseñaron un tercer modelo capaz de revelar la distribución y el tamaño de los agujeros negros de masa estelar a lo largo del tiempo. Los datos mostraron que su número era realmente enorme: 40 trillones. Para estar seguros, el equipo comparó sus estimaciones con los datos recogidos por los observatorios de ondas gravitacionales. Y ambos coincidían.

«Nuestro trabajo -dice por su parte Lumen Boco, coautor de la investigavción- proporciona una teoría sólida para la generación de semillas ligeras para agujeros negros supermasivos y puede constituir un punto de partida para investigar el origen de las ‘semillas pesadas’, que abordaremos en un próximo artículo».

/psg