La luz liberada desde alrededor de los primeros agujeros negros masivos en el universo es tan intensa que puede alcanzar telescopios en toda la extensión del universo. Increíblemente, la luz de los agujeros negros o cuásares más distantes ha estado viajandoa nosotros por más de 13 mil millones de años luz. Sin embargo, no sabemos cómo se formaron estos monstruosos agujeros negros.
Una nueva investigación dirigida por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, la Universidad de la Ciudad de Dublín, la Universidad Estatal de Michigan, la Universidad de California en San Diego, el Centro de Supercomputadoras de San Diego e IBM, proporciona una nueva y extremadamente prometedora vía para resolver este enigma cósmico.El equipo demostró que cuando las galaxias se ensamblan extremadamente rápido, y a veces violentamente, eso puede conducir a la formación de agujeros negros muy masivos. En estas galaxias raras, la formación estelar normal se interrumpe y la formación de agujeros negros se hace cargo.
El nuevo estudio encuentra que se forman agujeros negros masivos en regiones densas sin estrellas que están creciendo rápidamente, revirtiendo la creencia ampliamente aceptada de que la formación masiva de agujeros negros se limitaba a regiones bombardeadas por la poderosa radiación de las galaxias cercanas. Conclusiones del estudio, reportado el 23 de enero en el diario Naturaleza y con el apoyo de fondos de la National Science Foundation, la Unión Europea y la NASA, también descubre que los agujeros negros masivos son mucho más comunes en el universo de lo que se pensaba anteriormente
El criterio clave para determinar dónde se formaron los agujeros negros masivos durante la infancia del universo se relaciona 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 que se forma enJohn Wise, profesor asociado en el Centro de Astrofísica Relativista de Georgia Tech y autor correspondiente del artículo, dijo John Wise. La materia oscura se derrumba en halos que son el pegamento gravitacional para todas las galaxias. El rápido crecimiento temprano de estos halos impidió la formación.de estrellas que habrían competido con los agujeros negros por la materia gaseosa que fluye hacia el área.
"En este estudio, hemos descubierto un mecanismo totalmente nuevo que provoca la formación de agujeros negros masivos en halos de materia oscura en particular", dijo Wise. "En lugar de solo considerar la radiación, necesitamos ver 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. Formar un agujero negro masivo requiere estar en una región rara con una convergencia intensa de materia ".
Cuando el equipo de investigación encontró estos sitios de formación de agujeros negros en la simulación, al principio quedaron perplejos, dijo John Regan, investigador del Centro de Astrofísica y Relatividad de la Universidad de la Ciudad de Dublín. El paradigma previamente aceptado era que los agujeros negros masivos podríansolo se forma cuando se expone a altos niveles de radiación cercana.
"Las teorías anteriores sugirieron que esto solo debería ocurrir cuando los sitios estaban expuestos a altos niveles de radiación que mata la formación de estrellas", dijo. "A medida que profundizamos, vimos que estos sitios estaban experimentando un período de crecimiento extremadamente rápido. Esofue la clave. La naturaleza violenta y turbulenta de la asamblea rápida, el choque violento de los cimientos de la galaxia durante el nacimiento de la galaxia impidió la formación estelar normal y condujo a condiciones perfectas para la formación de un agujero negro. Esta investigación cambia el paradigma anterior y se abretoda una nueva área de investigación "
La teoría anterior se basó en la intensa radiación ultravioleta de una galaxia cercana para inhibir la formación de estrellas en el halo que forma agujeros negros, dijo Michael Norman, director del Centro de Supercomputadoras de San Diego en UC San Diego y uno de los autores del trabajo."Si bien la radiación UV sigue siendo un factor, nuestro trabajo ha demostrado que no es el factor dominante, al menos en nuestras simulaciones", explicó.
La investigación 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 el negro masivoera probable que se desarrollaran agujeros, los investigadores examinaron los datos de la simulación y encontraron diez halos específicos de materia oscura que deberían haber formado estrellas debido a sus masas pero que solo contenían una nube de gas densa. Usando la supercomputadora Stampede2, re-simularon dos de esos halos:- cada uno de unos 2.400 años luz de diámetro - a una resolución mucho más alta para comprender los detalles de lo que sucedía en ellos 270 millones de años después del Big Bang.
"Fue solo en estas regiones demasiado densas del universo que vimos formarse estos agujeros negros", dijo Wise. "La materia oscura crea la mayor parte de la gravedad, y luego el gas cae en ese potencial gravitacional, donde puedeformar estrellas o un agujero negro masivo "
Las Simulaciones del Renacimiento son las simulaciones más completas de las primeras etapas del ensamblaje gravitacional del gas prístino compuesto de hidrógeno y helio y materia oscura fría que conducen a la formación de las primeras estrellas y galaxias. Utilizan una técnica conocida como malla adaptativarefinamiento para hacer zoom en grupos densos que forman estrellas o agujeros negros. Además, cubren una región lo suficientemente grande del universo temprano para formar miles de objetos, un requisito si uno está interesado en objetos raros, como es el caso aquí ".La alta resolución, la rica física y la gran muestra de halos colapsados fueron necesarios para lograr este resultado ", dijo Norman.
La resolución mejorada de la simulación realizada para dos regiones candidatas permitió a los científicos ver la turbulencia y la entrada de gas y la acumulación de materia 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 han crecido a mil millones de masas solares en 800 millones de años", dijo Wise. "Hacer eso requirió una intensa convergencia de masa en esa región. Es de esperar que en regiones donde las galaxias se estuvieran formando muytiempos tempranos."
Otro aspecto de la investigación es que los halos que dan a luz 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 raros, pueden ser lo suficientemente comunes", dijo Brian O'Shea, profesor de la Universidad Estatal de Michigan. "Predecimos que este escenario sucedería lo suficiente paraser el origen de los agujeros negros más masivos que se observan, tanto al principio del universo como en las galaxias en la actualidad "
El trabajo futuro con estas simulaciones analizará el ciclo de vida de estas galaxias masivas de formación de agujeros negros, estudiando la formación, el crecimiento y la evolución de los primeros agujeros negros masivos a través del tiempo. "Nuestro próximo objetivo es investigar la evolución de estos objetos exóticos"¿Dónde están estos agujeros negros hoy? ¿Podemos detectar evidencia de ellos en el universo local o con ondas gravitacionales? ", Preguntó Regan.
Para estas nuevas respuestas, el equipo de investigación, y otros, pueden volver a las simulaciones.
"Las simulaciones del Renacimiento son lo suficientemente ricas como para que se puedan hacer otros descubrimientos utilizando datos ya calculados", dijo Norman. "Por esta razón, hemos creado un archivo público en el SDSC que contiene el llamado Laboratorio de simulaciones del Renacimiento donde otros pueden realizar sus propias preguntas"
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Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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