Científicos encuentran el secreto del nacimiento de los primeros agujeros negros en el Cosmos

Y agujero negro supermasivo tarda mucho en crecer, incluso si come vorazmente. Por lo tanto, saber cómo se formaron los agujeros negros supermasivos miles de millones de veces más pesados ​​que el Sol en los primeros mil millones de años del universo ha sido un rompecabezas continuo.

Pero un nuevo trabajo de un equipo internacional de cosmólogos sugiere una respuesta: flujos de materia fría, compuestos de misteriosa materia oscura, que alimentan agujeros negros nacidos de la muerte de gigantes estrellas primordial.

“Hay una receta para crear un agujero negro de 100.000 masas solares al nacer, y es una estrella primordial de 100.000 masas solares”, dijo Daniel Whalen, cosmólogo de la Universidad de Portsmouth. El independiente. “En el universo actual, los únicos agujeros negros que hemos descubierto se formaron a partir del colapso de estrellas masivas. Eso significa que la masa mínima para un agujero negro probablemente tenga que ser de al menos tres o cuatro masas solares”.

Pero el abismo es enorme entre una estrella de 4 masas solares y una estrella de 100.000 masas solares, una estrella “hipergigante” que, si estuviera centrada en el Sol, se extendería hasta la órbita de Plutón. En los últimos 20 años, según el Dr. Whalen, gran parte de la investigación sobre cuásares en el universo primitivo – centros muy brillantes de galaxias impulsado por agujeros negros supermasivos, se ha centrado en el conjunto de condiciones finamente sintonizadas que permitirían la formación de una estrella primordial tan masiva.

Pero en un nuevo artículo publicado en la revista Naturaleza, el Dr. Whalen y sus colegas utilizan un modelo de supercomputadora de la evolución cósmica para demostrar que, en lugar de desarrollarse a partir de un conjunto muy especial de circunstancias, las estrellas hipergigantes primordiales se forman y colapsan en las “semillas” de los cuásares de manera bastante natural a partir de un conjunto de condiciones iniciales que , aunque todavía son relativamente raros, son mucho menos delicados. Y todo comienza con la materia oscura.

“Si observa el contenido total, llamémoslo contenido de energía de la masa total del universo, el 3 por ciento está en forma de materia que entendemos”, explicó el Dr. Whalen: materia compuesta de protones, neutrones y electrones. hidrógeno, helio y demás. Pero “el 24 por ciento está en forma de materia oscura, y sabemos que está allí por el movimiento de las galaxias y los cúmulos de galaxias, pero no sabemos qué es”.

Es decir, la materia oscura solo parece interactuar con la materia normal a través de la gravedad, y es la gravedad de la materia oscura la que ha creado la estructura a mayor escala del universo: la red cósmica. Según el Dr. Whalen, en el universo primitivo, grandes extensiones de materia oscura colapsaron en largos filamentos por su propio peso y arrastraron la materia normal con ellos, formando una red de filamentos y sus intersecciones.

Eventualmente se formarían galaxias y estrellas dentro de los filamentos y, en particular, en las intersecciones ricas en materia de los filamentos.

“Los llamamos halos, halos cosmológicos”, enfatizó el Dr. Whalen sobre las intersecciones, “y creemos que las estrellas primordiales se formaron allí primero”.

Las ideas previas sostenían que para formar una estrella primordial lo suficientemente grande como para dar origen a un agujero negro supermasivo y crear un quásar en los primeros mil millones de años del universo, un halo tendría que crecer hasta proporciones masivas bajo condiciones especiales: que había ninguna otra estrella demasiado cerca, que se formó hidrógeno molecular para mantener frío el gas, y que los flujos supersónicos de gas mantuvieron el halo turbulento. Mientras el halo sea lo suficientemente frío y turbulento, no podrá cohesionarse lo suficiente como para encenderse como una estrella, prolongando su fase de crecimiento hasta que finalmente nazca de un tamaño tremendo.

Y una vez que una estrella masiva se enciende, vive su vida, se agota y se colapsa en un agujero negro, debe tener acceso a grandes cantidades de gas para volverse supermasivo, señaló el Dr. Whalen, “porque la forma en que crece el agujero negro es tragando gas”.

Pero en lugar de requerir condiciones muy estrictas para la formación de una estrella masiva y, finalmente, un agujero negro masivo, la simulación del Dr. Whalen y sus colegas sugiere que el gas frío que fluye hacia un halo desde los filamentos definidos por la materia oscura en la red cósmica podría reemplazar el multitud de factores necesarios para la formación estelar primordial en modelos más antiguos.

“Si los flujos de acreción fría están alimentando el crecimiento de estos halos, deben estar golpeando esos halos”, dijo el Dr. Whalen, “golpeándolos con tanto gas tan rápido que la turbulencia podría estar impidiendo que el gas colapse y forme una estrella”. ” primordial”.

Cuando simularon un halo de este tipo alimentado por flujos de acreción fría, los investigadores vieron que se formaban dos estrellas primordiales masivas, una con una masa de 31.000 soles y la otra con una masa de 40.000 soles. Las semillas de los agujeros negros supermasivos.

“Fue maravillosamente simple. El problema de los 20 años desapareció de la noche a la mañana”, señaló el Dr. Whalen. Cada vez que hay flujos fríos que bombean gas hacia un halo en la red cósmica, “habrá tanta turbulencia que se producirá una formación de estrellas supermasivas y una formación de semillas masivas que producirán una semilla de cuásar masiva”.

Es un hallazgo que coincide con la cantidad de cuásares vistos hasta ahora en el universo primitivo, agregó, y señaló que los halos grandes en esa época temprana son raros, al igual que los cuásares.

Pero el nuevo trabajo es una simulación, y a los científicos les gustaría observar la formación de un cuásar del universo en la naturaleza temprana. Nuevos instrumentos como el telescopio espacial James Webb pueden hacer que esto sea una realidad relativamente pronto.

“La Webb será poderosa para ver uno”, afirmó el Dr. Whalen, tal vez para ver el nacimiento de agujeros negros dentro de un millón o dos años. Big Bang.

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