Distribuciones de densidad proyectadas de los componentes de materia oscura (fondo y panel superior) y gas (tres paneles inferiores) cuando se forma la estrella masiva. La cuna estelar es extremadamente asimétrica como una estructura ancha en forma de cuña (panel central) debido a los movimientos iniciales de gas supersónico que quedaron del Big Bang. El círculo en el panel derecho indica la región gravitacionalmente inestable con masa de 26, 000 masas solares. Crédito:Shingo Hirano
Un equipo internacional de investigadores ha utilizado con éxito una simulación de supercomputadora para recrear la formación de un agujero negro masivo a partir de corrientes de gas supersónico que quedaron del Big Bang. Su estudio, publicado en el de esta semana Ciencias , muestra que este agujero negro podría ser la fuente del nacimiento y desarrollo de los agujeros negros supermasivos más grandes y antiguos registrados en nuestro universo.
"Este es un progreso significativo. El origen de los monstruosos agujeros negros ha sido un misterio de larga data y ahora tenemos una solución. ", dijo el autor y el investigador principal del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU), Naoki Yoshida.
Descubrimientos recientes de estos agujeros negros supermasivos ubicados a 13 mil millones de años luz de distancia, correspondiente a cuando el universo tenía solo el cinco por ciento de su edad actual, plantean un serio desafío a la teoría de la formación y evolución de los agujeros negros. Los mecanismos físicos que forman los agujeros negros e impulsan su crecimiento son poco conocidos.
Los estudios teóricos han sugerido que estos agujeros negros se formaron a partir de restos de la primera generación de estrellas, o de un colapso gravitacional directo de una nube de gas primordial masiva. Sin embargo, estas teorías tienen dificultades para formar agujeros negros supermasivos lo suficientemente rápido, o requieren condiciones muy particulares.
Yoshida y el investigador en el extranjero de JSPS Shingo Hirano, actualmente en la Universidad de Texas en Austin, identificó un proceso físico prometedor a través del cual un agujero negro masivo podría formarse lo suficientemente rápido. La clave fue incorporar el efecto de los movimientos supersónicos del gas con respecto a la materia oscura. Las simulaciones de supercomputadoras del equipo mostraron que se había formado un grupo masivo de materia oscura cuando el universo tenía 100 millones de años. Las corrientes de gas supersónico generadas por el Big Bang fueron capturadas por materia oscura para formar una densa, nube de gas turbulento. Dentro, una protoestrella comenzó a formarse, y debido a que el gas circundante proporcionó material más que suficiente para alimentarse, la estrella pudo crecer extremadamente en poco tiempo sin liberar mucha radiación.
La distribución de la densidad del gas alrededor de la protoestrella recién nacida. El movimiento de gas supersónico de izquierda a derecha da como resultado un movimiento no esférico, estructura de densidad comprimida. La nube interior colapsada también muestra el objeto turbulado, que puede acumularse rápidamente en la protoestrella central y causar un rápido crecimiento masivo de la misma. Crédito:Shingo Hirano
"Una vez que alcance la masa de 34, 000 veces mayor que nuestro sol, la estrella colapsó por su propia gravedad, dejando un enorme agujero negro. Estos enormes agujeros negros nacidos en el universo temprano continuaron creciendo y fusionándose para convertirse en un agujero negro supermasivo. "dijo Yoshida.
"Se calcula que la densidad numérica de agujeros negros masivos es aproximadamente uno por un volumen de tres mil millones de años luz de lado, muy cerca de la densidad numérica observada de agujeros negros supermasivos, "dijo Hirano.
La evolución de la estructura de temperatura y densidad en la fase de acreción protoestelar después de la formación de la protoestrella. La rápida acumulación de una densa nube de gas (contorno blanco) contrae una expansión de la región fotoionizada (roja) que es posible detener la acumulación de gas. Crédito:Takashi Hosokawa
El resultado de este estudio será importante para futuras investigaciones sobre el crecimiento de agujeros negros masivos. Especialmente con el mayor número de observaciones de agujeros negros en el universo lejano que se espera que se hagan cuando se lance el telescopio espacial James Webb de la NASA el próximo año.
Esta investigación fue publicada en Ciencias el 28 de septiembre.
