Las primeras simulaciones de formación de cúmulos masivos estrella por estrella revelaron que nubes moleculares suficientemente densas, los "nidos de nacimiento" de los cúmulos estelares, pueden dar origen a estrellas muy masivas que evolucionan hasta convertirse en agujeros negros de masa intermedia. Los hallazgos fueron publicados en la revista Science. .

"Observaciones anteriores han sugerido que algunos cúmulos estelares masivos (cúmulos globulares) albergan un agujero negro de masa intermedia (IMBH)", explica Fujii la motivación del proyecto de investigación. "Un IMBH es un agujero negro con una masa de 100 a 10 000 masas solares. Hasta ahora, no ha habido pruebas teóricas sólidas que demuestren la existencia de un IMBH con 1 000 a 10 000 masas solares en comparación con otros menos masivos (masa estelar) y más masivos. (supermasivos)."

Los nidos de parto pueden evocar imágenes de calidez y tranquilidad. No ocurre lo mismo con las estrellas. Los cúmulos globulares de estrellas se forman en medio de la agitación. Las diferencias de densidad provocan primero que las estrellas colisionen y se fusionen. A medida que las estrellas continúan fusionándose y creciendo, las fuerzas gravitacionales crecen con ellas.

Las repetidas colisiones estelares en la densa región central de los cúmulos globulares se denominan colisiones desbocadas. Pueden dar lugar al nacimiento de estrellas muy masivas con más de 1.000 masas solares. Estas estrellas podrían potencialmente evolucionar hasta convertirse en IMBH. Sin embargo, simulaciones anteriores de cúmulos ya formados sugirieron que los vientos estelares se llevan la mayor parte de su masa, dejándolos demasiado pequeños. Para investigar si los IMBH podían "sobrevivir", los investigadores necesitaban simular un cúmulo mientras aún se estaba formando.

"Las simulaciones de formación de cúmulos de estrellas fueron un desafío debido al costo de la simulación", dice Fujii.

"Por primera vez, realizamos con éxito simulaciones numéricas de la formación de cúmulos globulares, modelando estrellas individuales. Al resolver estrellas individuales con una masa realista para cada una, pudimos reconstruir las colisiones de estrellas en un entorno muy compacto. Para estas simulaciones, Hemos desarrollado un novedoso código de simulación en el que podríamos integrar millones de estrellas con gran precisión."

En la simulación, las colisiones descontroladas condujeron a la formación de estrellas muy masivas que evolucionaron hasta convertirse en agujeros negros de masa intermedia. Los investigadores también descubrieron que la relación de masa entre el cúmulo y el IMBH coincidía con la de las observaciones que motivaron originalmente el proyecto.

"Nuestro objetivo final es simular galaxias enteras resolviendo estrellas individuales", afirma Fujii.

"Todavía es difícil simular galaxias del tamaño de la Vía Láctea resolviendo estrellas individuales con los superordenadores disponibles actualmente. Sin embargo, sería posible simular galaxias más pequeñas, como por ejemplo las galaxias enanas. También queremos centrarnos en los primeros cúmulos, los cúmulos de estrellas formados en el El universo temprano también es un lugar donde pueden nacer los IMBH."