Hay una visión cada vez mayor de que los agujeros negros en el universo temprano pueden haber sido las semillas alrededor de las cuales crecieron por primera vez la mayoría de las grandes galaxias de hoy (ahora con agujeros negros supermasivos dentro). Y dando un paso más atrás, también podría ser el caso de que los agujeros negros fueran clave para reionizar el medio interestelar temprano, lo que luego influyó en la estructura a gran escala del universo actual.
Para recapitular esos primeros años ... Primero fue el Big Bang, y durante unos tres minutos todo fue muy compacto y, por lo tanto, muy caliente, pero después de tres minutos se formaron los primeros protones y electrones y durante los siguientes 17 minutos una proporción de esos protones interactuó para formarse núcleos de helio: hasta 20 minutos después del Big Bang, el universo en expansión se volvió demasiado frío para mantener la nucleosíntesis. A partir de ahí, los protones y los núcleos de helio y los electrones solo rebotaron durante los siguientes 380,000 años como un plasma muy caliente.
También había fotones, pero había pocas posibilidades de que estos fotones hicieran algo más que formarse y luego ser reabsorbidos inmediatamente por una partícula adyacente en ese plasma caliente a la parrilla. Pero a los 380,000 años, el universo en expansión se enfrió lo suficiente para que los protones y los núcleos de helio se combinaran con los electrones para formar los primeros átomos, y de repente los fotones quedaron con un espacio vacío en el que dispararse como los primeros rayos de luz, que hoy tenemos todavía puede detectar como el fondo cósmico de microondas.
Lo que siguió fueron las llamadas edades oscuras hasta que alrededor de medio billón de años después del Big Bang, las primeras estrellas comenzaron a formarse. Es probable que estas estrellas fueran grandes, como realmente grandes, ya que los átomos de hidrógeno (y helio) fríos y estables disponibles se agregan y acumulan fácilmente. Algunas de estas primeras estrellas pueden haber sido tan grandes que rápidamente se hicieron pedazos como supernovas de inestabilidad de pares. Otros eran simplemente muy grandes y colapsaron en agujeros negros, muchos de ellos con demasiada gravedad propia para permitir que una explosión de supernova expulse cualquier material de la estrella.
Y es aquí donde comienza la historia de reionización. Los átomos de hidrógeno estables y fríos del medio interestelar temprano no se mantuvieron fríos y estables por mucho tiempo. En un universo más pequeño lleno de estrellas masivas densamente empaquetadas, estos átomos se recalentaron rápidamente, haciendo que sus electrones se disociaran y sus núcleos se convirtieran en iones libres nuevamente. Esto creó un plasma de baja densidad, todavía muy caliente, pero demasiado difuso para ser opaco a la luz.
Es probable que este paso de reionización limite el tamaño al que podrían crecer las nuevas estrellas, así como limita las oportunidades para que crezcan nuevas galaxias, ya que los iones calientes y excitados tienen menos probabilidades de acumularse y acumularse que los átomos fríos y estables. Es posible que la reionización haya contribuido a la distribución actual "áspera" de la materia, que se organiza en galaxias discretas generalmente grandes en lugar de una distribución uniforme de estrellas en todas partes.
Y se ha sugerido que los primeros agujeros negros, en realidad agujeros negros en binarios de rayos X de alta masa, pueden haber hecho una contribución significativa a la reionización del universo primitivo. El modelado por computadora sugiere que el universo primitivo, con una tendencia hacia estrellas muy masivas, sería mucho más probable que tuviera agujeros negros como restos estelares, en lugar de estrellas de neutrones o enanas blancas. Además, esos agujeros negros estarían más a menudo en binarios que en forma aislada (ya que las estrellas masivas a menudo forman múltiples sistemas que las estrellas pequeñas).
Entonces, con un binario masivo donde un componente es un agujero negro, el agujero negro comenzará a acumular rápidamente un gran disco de acreción compuesto de materia extraída de la otra estrella. Entonces ese disco de acreción comenzará a irradiar fotones de alta energía, particularmente a niveles de energía de rayos X.
Si bien el número de fotones ionizantes emitidos por un agujero negro acreciente es probablemente similar al de su estrella progenitora brillante y luminosa, se esperaría que emitiera una proporción mucho mayor de fotones de rayos X de alta energía, con cada uno de esos fotones potencialmente calentando e ionizar múltiples átomos en su camino, mientras que el fotón de una estrella luminosa solo podría reionizar uno o dos átomos.
Ahí vas. Agujeros negros ... ¿hay algo que no puedan hacer?
Otras lecturas: Mirabel et al. Agujeros negros estelares en los albores del universo.
