Científicos han descubierto el secreto del nacimiento de los agujeros negros más antiguos del universo

Se necesita mucho tiempo para que crezca un agujero negro supermasivo, incluso si come vorazmente. Entonces, cómo se formaron los agujeros negros supermasivos que son miles de millones de veces más pesados ​​que el sol durante los primeros miles de millones de la vida del universo siempre ha sido un misterio.

Pero un nuevo trabajo de un equipo internacional de cosmólogos sugiere una respuesta: corrientes de materia fría, formadas por misteriosa materia oscura, alimentan agujeros negros con una fuerza nacida de la muerte de protoestrellas gigantes.

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

Pero la bahía es enorme entre una estrella de 4 masas solares y una estrella de 100.000 masas solares, una estrella “gigante” que, si estuviera centrada alrededor del sol, se extendería hasta la órbita de Plutón. El Dr. Wallen dijo que durante los últimos 20 años, gran parte de la investigación sobre cuásares en el universo primitivo (centros de galaxias muy brillantes impulsadas por agujeros negros supermasivos) se ha centrado en el conjunto de condiciones finamente sintonizadas que permitirían la formación de tales una estrella primordial masiva.

Pero en un nuevo artículo publicado en la revista templar la naturalezaWallen y sus colegas utilizaron modelos de supercomputadoras de la evolución cósmica para demostrar que, en lugar de evolucionar a partir de un conjunto muy especial de condiciones, las protoestrellas extremadamente gigantes se forman y colapsan en “semillas” de cuásares de forma bastante natural a partir de un conjunto de condiciones primordiales que, aunque todavía son raras, relativamente hablando. , es mucho menos sensible. Y todo comienza con la materia oscura.

“Si nos fijamos en el contenido total, llamémoslo el contenido de energía de masa total del universo, el 3 por ciento en forma de materia que entendemos”: una sustancia hecha de protones, neutrones, electrones, hidrógeno, helio, etc. , dijo el Dr. Wallen. 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”.

Esto significa que la materia oscura solo interactúa con la materia ordinaria a través de la gravedad, y es la gravedad de la materia oscura la que ha creado la estructura más grande del universo: la red cósmica. El Dr. Wallen dijo que en el universo primitivo, vastas franjas de materia oscura colapsaron en largos filamentos por su propio peso, arrastrando consigo la materia normal, formando una red de filamentos y sus uniones.

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

“Los llamamos halos, halos cósmicos, y creemos que las estrellas primordiales se formaron allí primero”, dijo el Dr. Wallen sobre las intersecciones.

El pensamiento previo creía que para formar una estrella primordial lo suficientemente grande como para dar origen a un agujero negro supermasivo y crear un quásar durante los primeros mil millones de años del universo, la corona tendría que crecer hasta proporciones gigantescas bajo condiciones especiales: ninguna otra estrella tan cerca , formando hidrógeno molecular para mantener el enfriador de gas, flujos de gas supersónicos para mantener la corona turbulenta. Mientras el aura fuera lo suficientemente fría y turbulenta, no podría mantenerse unida lo suficiente como para encenderse como una estrella, prolongando su fase de crecimiento hasta que finalmente nació de un tamaño gigantesco.

Una vez que una estrella masiva se enciende, vive su vida, se quema y colapsa en un agujero negro, dijo el Dr. Wallen, debe tener acceso a grandes cantidades de gas para poder crecer exponencialmente, “porque la forma en que crece un agujero negro es tragar gasolina”.

Pero en lugar de requerir condiciones muy precisas para la formación de una estrella supermasivo y, finalmente, un agujero negro supermasivo, las simulaciones del Dr. Wallen y sus colegas sugieren que el flujo de gas frío en un halo de filamentos de materia oscura que define la red cósmica podría reemplazar el abundancia. Un factor necesario para la formación de estrellas primordiales en modelos antiguos.

“Si los flujos de acreción fría están alimentando el crecimiento de estos halos, deben estar bombardeándolos”, dijo el Dr. Wallen, golpeándolos con tanto gas tan rápido que la turbulencia podría evitar que los gases colapsen y formen una estrella primordial. “

Cuando simularon una corona de este tipo alimentada por corrientes de acreción fría, los investigadores observaron la formación de dos estrellas primordiales masivas, una del tamaño de 31.000 soles y la otra del tamaño de 40.000 soles. Semillas supermasivas de agujeros negros.

“Fue maravillosamente simple. El problema de 20 años se acabó de la noche a la mañana”, dijo el Dr. Wallen. Cada vez que haya corrientes frías que bombean gas en un halo hacia la red cósmica, “vas a tener muchas turbulencias, y va a tener una formación estelar masiva y una formación masiva de semillas”. Produce una enorme semilla de cuásar”.

Agregó que es un descubrimiento que coincide con la cantidad de cuásares observados hasta ahora al comienzo del universo, y señaló que los grandes halos en esa era temprana son raros, al igual que los cuásares.

Pero el nuevo trabajo es una simulación, y los científicos quieren monitorear realmente la formación del universo de cuásar primitivo en la naturaleza. Los nuevos instrumentos, como el telescopio espacial James Webb, pueden hacer que eso sea una realidad relativamente pronto.

“Webb sería fuerte para ver uno”, dijo el Dr. Wallen, y probablemente vio el nacimiento de agujeros negros dentro de un millón o dos millones de años del Big Bang.

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