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Científicos descubren cómo se formaron los agujeros negros supermasivos en el Universo temprano


Cuando el Universo tenía menos de 1 billón de años, algunas de sus estrellas se convirtieron en agujeros negros supermasivos. Un misterio clave en la astronomía ha sido: ¿por qué hay tantos agujeros negros enormes en el universo temprano? Un nuevo estudio basado en simulaciones sugiere que los agujeros negros masivos prosperan cuando las galaxias se forman muy rápidamente. El estudio también encuentra que estos agujeros negros son mucho más comunes en el Universo de lo que se pensaba anteriormente.

La materia oscura se colapsa en halos que son el pegamento gravitatorio en todas las galaxias.

El rápido crecimiento de estos halos primitivos impidió la formación de estrellas que habrían competido con los agujeros negros para que la materia gaseosa fluya hacia el área.

"Los criterios clave para determinar dónde se formaron los agujeros negros masivos durante la infancia del Universo se relacionan con el rápido crecimiento de las nubes de gas pre-galácticas que son los precursores de todas las galaxias actuales, lo que significa que la mayoría de los agujeros negros supermasivos tienen un origen común; se forman en este escenario recién descubierto", dijo el autor principal del estudio, el Dr. John Wise, investigador del Centro de Astrofísica Relativista en la Escuela de Física de Georgia Tech.

"En el estudio, hemos descubierto un mecanismo totalmente nuevo que desencadena la formación de agujeros negros masivos en halos de materia oscura en particular", continúa diciendo.

“En lugar de solo considerar la radiación, necesitamos observar qué tan rápido crecen los halos. No necesitamos tanta física para entenderlo, solo cómo se distribuye la materia oscura y cómo la gravedad afectará eso. La formación de un agujero negro masivo requiere de un lugar específico; estar en una región rara con una intensa convergencia de materia".

El paradigma previamente aceptado era que los agujeros negros masivos solo podrían formarse cuando se exponen a altos niveles de radiación cercana.

"Las teorías anteriores sugirieron que esto solo debería suceder cuando los sitios eran expuestos a altos niveles de radiación, eliminando a cualquier formación de estrellas", dijo el coautor del estudio, el Dr. John Regan, investigador en el Centro de Astrofísica y Relatividad de la Universidad de Dublín.

“A medida que profundizamos, vimos que estos sitios estaban experimentando un período de crecimiento extremadamente rápido. Esa fue la clave".

"La teoría anterior se basaba en la intensa radiación UV de una galaxia cercana para inhibir la formación de estrellas en el halo que forma un agujero negro", dijo el coautor del estudio, el Dr. Michael Norman, director del Centro de supercomputación de San Diego en la Universidad de California.

"Si bien la radiación UV sigue siendo un factor, nuestro trabajo ha demostrado que no es el factor dominante, al menos en nuestras simulaciones".

El Estudio
El estudio se basó en la Suite Renaissance Simulation, un conjunto de datos de 70 terabytes creado en la supercomputadora Blue Waters entre 2011 y 2014 para ayudar a los científicos a comprender cómo evolucionó el Universo durante sus primeros años.

Para aprender más sobre regiones específicas donde es probable que se desarrollen agujeros negros masivos, el equipo examinó los datos de simulación y encontró diez halos de materia oscura específicos que deberían haber formado estrellas debido a su masa, pero que solo contenían una densa nube de gas.

Luego, los científicos volvieron a simular dos de esos halos, cada uno de unos 2.400 años luz de diámetro, a una resolución mucho mayor para comprender los detalles de lo que estaba ocurriendo 270 millones de años después del Big Bang.

La resolución mejorada de la simulación realizada en dos regiones candidatas permitió a los investigadores ver la turbulencia y la entrada de gas y grupos de materia formándose a medida que los precursores del agujero negro comenzaron a condensarse y girar. Su tasa de crecimiento fue dramática.

“Los astrónomos observan agujeros negros supermasivos que se han convertido en mil millones de masas solares en 800 millones de años. Hacer eso requería una intensa convergencia de masa en esa región. Eso es de esperarse en regiones donde las galaxias se estaban formando en tiempos muy tempranos", dijo el Dr. Wise.

Otro aspecto de la investigación es que los halos que dan origen a los agujeros negros pueden ser más comunes de lo que se creía anteriormente.

"Un componente emocionante de este trabajo es el descubrimiento de que estos tipos de halos, aunque son raros, pueden ser lo suficientemente comunes", dijo el Profesor Brian O’Shea de la Universidad Estatal de Michigan, coautor del estudio.

"Predecimos que este escenario sucedería lo suficiente como para ser el origen de los agujeros negros más masivos que se observan, tanto al comienzo del Universo como en las galaxias de la actualidad".

Referencia del documento científico:
John H. Wise et al. Formación de agujeros negros masivos en nubes de gas pre-galácticas de rápido crecimiento. Nature, Volumen 566, páginas 85–88 (2019); doi: 10.1038 / s41586-019-0873-4

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