Extractado de Sky and Telescope
Una nueva investigación muestra cómo se pueden formar agujeros negros con una masa equivalente a decenas de miles de soles en los primeros años del universo.
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La simulación de una supercomputadora muestra flujos de gas en múltiples colores. Los ríos de gas se precipitan hacia un mar de masa central y agitada, en el que se están formando dos enormes agujeros negros primordiales. Daniel Whalen (Universidad de Portsmouth, Reino Unido) |
Cómo se formaron los cuásares alimentados por agujeros negros supermasivos menos de mil millones de años después del Big Bang, sigue siendo uno de los problemas pendientes en astrofísica, 20 años después de su descubrimiento.
Solo 700 millones de años después del Big Bang, cuando el universo aún estaba en su infancia, ya vemos agujeros negros supermasivos con masas de mil millones de soles.
¿Cómo pudieron haber crecido tan rápido? Un equipo de astrónomos está utilizando simulaciones por computadora para vislumbrar cómo podría haber sido la formación de estos gigantes oscuros.
CÓMO HACER UN AGUJERO NEGRO SUPERMASIVO
Si deseas crear un agujero negro de mil millones de masas solares desde cero, debes comenzar con una estrella, o quizás solo con el gas del que están hechas las estrellas.
Si bien las primeras estrellas del universo podrían haber creado los primeros agujeros negros, estos habrían sido relativamente pequeños en la escala de lo supermasivo, con masas de solo alrededor de 100 soles. Quizás las primeras estrellas se agruparon y, por lo tanto, cuando las estrellas formaron agujeros negros, esos agujeros negros se fusionaron y luego se fusionaron nuevamente. Incluso entonces, tales "semillas" de agujeros negros habrían sido solo 1.000, tal vez 10.000 masas solares. Estos agujeros negros habrían tenido que crecer demasiado rápido para volverse súper masivos en tan poco tiempo.
Pero hay otra forma: algunos astrónomos han propuesto la idea de que en el pequeño universo primitivo, cuando el gas era denso y prístino, las nubes de gas podrían colapsar directamente en agujeros negros más masivos.
Sin embargo, los cálculos para implosiones tan masivas son delicados. ¿Qué evitará que partes de la nube de gas se enfríen y colapsen por su propio peso, como suelen hacer las nubes que forman estrellas en el universo moderno?
CÓMO HACER UN AGUJERO NEGRO SUPERMASIVO
Si deseas crear un agujero negro de mil millones de masas solares desde cero, debes comenzar con una estrella, o quizás solo con el gas del que están hechas las estrellas.
Si bien las primeras estrellas del universo podrían haber creado los primeros agujeros negros, estos habrían sido relativamente pequeños en la escala de lo supermasivo, con masas de solo alrededor de 100 soles. Quizás las primeras estrellas se agruparon y, por lo tanto, cuando las estrellas formaron agujeros negros, esos agujeros negros se fusionaron y luego se fusionaron nuevamente. Incluso entonces, tales "semillas" de agujeros negros habrían sido solo 1.000, tal vez 10.000 masas solares. Estos agujeros negros habrían tenido que crecer demasiado rápido para volverse súper masivos en tan poco tiempo.
Pero hay otra forma: algunos astrónomos han propuesto la idea de que en el pequeño universo primitivo, cuando el gas era denso y prístino, las nubes de gas podrían colapsar directamente en agujeros negros más masivos.
Sin embargo, los cálculos para implosiones tan masivas son delicados. ¿Qué evitará que partes de la nube de gas se enfríen y colapsen por su propio peso, como suelen hacer las nubes que forman estrellas en el universo moderno?
El el video anterior, puedes ver la simulación.
Algunos astrónomos han sugerido que la emisión ultravioleta de las estrellas recién nacidas cercanas podría haber calentado el gas, manteniéndolo demasiado caliente para que se fragmente en estrellas. Otros han argumentado que tales requisitos específicos harían que el proceso fuera demasiado raro para explicar la cantidad de agujeros negros supermasivos que ya hemos encontrado en el universo joven.
MANTENERLO JUNTO
Ahora, Muhammed Latif (Universidad de los Emiratos Árabes Unidos), Daniel Whalen (Universidad de Portsmouth, Reino Unido y Universidad de Viena) y sus colegas informan en la prestigiosa revista Nature que se pueden formar agujeros negros masivos sin estas condiciones especiales.
El hallazgo se basa en simulaciones por computadora, que reconstruyen las condiciones del universo infantil, cuando tenía menos de 100 millones de años. Las simulaciones son necesarias, porque esta época de las primeras estrellas está fuera del alcance de nuestros telescopios actuales.
La simulación generó el crecimiento de un pequeño “mar” de materia espumosa, alimentado por cuatro torrentes de gas entrante. Si bien estos fenómenos habrían sido comunes, Whalen dice que estas corrientes eran inusuales porque transportaban mucho gas. Latif agrega que los ríos de gas no solo eran densos sino también rápidos; Corriendo a velocidades de 50 km / s (más de 180.000 km/h), transportaban entre 1 y 10 soles de material por año.
El mar en el centro de estas corrientes de material creció, y en su interior se formó un grupo, y luego otro. La turbulencia de los flujos de gas impedía que los cúmulos masivos colapsaran directamente en estrellas; en cambio, los grupos continuaron creciendo. Al final de la simulación, 1,4 millones de años después, contenían la masa de decenas de miles de soles.
Eventualmente, estos grupos se comprimen en lo que los investigadores llaman estrellas supermasivas; seguir su evolución requiere un tipo diferente de simulación por computadora, una que tenga en cuenta la física estelar. Estos monstruos estelares no duran mucho en esta simulación, apenas 1 millón de años, antes de volver a colapsar en agujeros negros de 30.000 y 40.000 masas solares, respectivamente.
Estas semillas tan masivas podrían recolectar fácilmente más gas y crecer hasta convertirse en los gigantes oscuros que ven los astrónomos. Aunque el tipo de eventos analizados son raros, Latif, Whalen y sus colegas estiman que ocurriría con la frecuencia suficiente para explicar las observaciones.
Pero no es el único escenario que resulta en un colapso directo, advierten. Natarajan, que no participó en el estudio actual, exploró un escenario diferente en 2014 y descubrió que un cúmulo estelar denso podría permitir que ocurra un colapso directo. "El resultado es que hay múltiples vías para amplificar rápidamente y hacer semillas masivas de agujeros negros in situ y en las primeras etapas del universo".
Las próximas observaciones del telescopio espacial James Webb, ayudarán a distinguir entre los diferentes escenarios de semillas de agujeros negros. Aunque Webb no podrá detectar las estrellas supermasivas individualmente, es posible que pueda detectar las semillas de agujeros negros que siguen creciendo cuando el universo tenía menos de 200 millones de años.
MANTENERLO JUNTO
Ahora, Muhammed Latif (Universidad de los Emiratos Árabes Unidos), Daniel Whalen (Universidad de Portsmouth, Reino Unido y Universidad de Viena) y sus colegas informan en la prestigiosa revista Nature que se pueden formar agujeros negros masivos sin estas condiciones especiales.
El hallazgo se basa en simulaciones por computadora, que reconstruyen las condiciones del universo infantil, cuando tenía menos de 100 millones de años. Las simulaciones son necesarias, porque esta época de las primeras estrellas está fuera del alcance de nuestros telescopios actuales.
La simulación generó el crecimiento de un pequeño “mar” de materia espumosa, alimentado por cuatro torrentes de gas entrante. Si bien estos fenómenos habrían sido comunes, Whalen dice que estas corrientes eran inusuales porque transportaban mucho gas. Latif agrega que los ríos de gas no solo eran densos sino también rápidos; Corriendo a velocidades de 50 km / s (más de 180.000 km/h), transportaban entre 1 y 10 soles de material por año.
El mar en el centro de estas corrientes de material creció, y en su interior se formó un grupo, y luego otro. La turbulencia de los flujos de gas impedía que los cúmulos masivos colapsaran directamente en estrellas; en cambio, los grupos continuaron creciendo. Al final de la simulación, 1,4 millones de años después, contenían la masa de decenas de miles de soles.
Eventualmente, estos grupos se comprimen en lo que los investigadores llaman estrellas supermasivas; seguir su evolución requiere un tipo diferente de simulación por computadora, una que tenga en cuenta la física estelar. Estos monstruos estelares no duran mucho en esta simulación, apenas 1 millón de años, antes de volver a colapsar en agujeros negros de 30.000 y 40.000 masas solares, respectivamente.
Estas semillas tan masivas podrían recolectar fácilmente más gas y crecer hasta convertirse en los gigantes oscuros que ven los astrónomos. Aunque el tipo de eventos analizados son raros, Latif, Whalen y sus colegas estiman que ocurriría con la frecuencia suficiente para explicar las observaciones.
Pero no es el único escenario que resulta en un colapso directo, advierten. Natarajan, que no participó en el estudio actual, exploró un escenario diferente en 2014 y descubrió que un cúmulo estelar denso podría permitir que ocurra un colapso directo. "El resultado es que hay múltiples vías para amplificar rápidamente y hacer semillas masivas de agujeros negros in situ y en las primeras etapas del universo".
Las próximas observaciones del telescopio espacial James Webb, ayudarán a distinguir entre los diferentes escenarios de semillas de agujeros negros. Aunque Webb no podrá detectar las estrellas supermasivas individualmente, es posible que pueda detectar las semillas de agujeros negros que siguen creciendo cuando el universo tenía menos de 200 millones de años.
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