Los astrónomos Aaron Smith y Volker Bromm de la Universidad de Texas en Austin, en colaboración con Avi Loeb del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, han descubierto evidencia de un tipo inusual de agujero negro nacido muy temprano en el universo. Demostraron que unUna fuente inusual de radiación intensa recientemente descubierta probablemente esté impulsada por un "agujero negro de colapso directo", un tipo de objeto predicho por los teóricos hace más de una década. Su trabajo se publica hoy en la revista Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society .
"Es un milagro cósmico", dijo Bromm, refiriéndose al conjunto preciso de condiciones presentes 500 millones de años después del Big Bang que permitieron que estos gigantes emergieran. "Es el único momento en la historia del universo en el que las condiciones son justascorrecto "para que se formen.
Estos agujeros negros de colapso directo pueden ser la solución a un antiguo rompecabezas en astronomía: ¿cómo se formaron los agujeros negros supermasivos en las primeras épocas del universo? Hay una fuerte evidencia de su existencia, ya que son necesarios para alimentar elSe detectan cuásares muy luminosos en el universo joven. Sin embargo, existen varios problemas que deberían impedir su formación, y el proceso de crecimiento convencional es demasiado lento.
Los astrónomos creen que saben cómo los agujeros negros supermasivos que pesan millones de soles crecen en el corazón de la mayoría de las galaxias en nuestra época actual. Empiezan a partir de un agujero negro "semilla", creado cuando una estrella extremadamente masiva colapsa. Esta semilla negraEl agujero tiene una masa de aproximadamente 100 soles. Extrae gas de su entorno, se vuelve mucho más masivo y, finalmente, puede fusionarse con otros agujeros negros semilla. Todo este proceso se llama acreción.
La teoría de la acreción no explica los agujeros negros supermasivos en cuásares extremadamente distantes y, por lo tanto, jóvenes. Visible para nosotros a pesar de su distancia de miles de millones de años luz, el brillo increíble de un quásar proviene de la materia que se convierte en espiral hacia un agujero negro supermasivocalentando a millones de grados, creando chorros que brillan como balizas en todo el universo.
Estas primeras galaxias pueden haber contenido la primera generación de estrellas creadas después del Big Bang. Y aunque estas estrellas pueden colapsar para formar agujeros negros, no funcionan como semillas de cuásares tempranas. No hay gas circundante para que el agujero negroalimentarse. Ese gas ha sido arrastrado por los vientos de las estrellas calientes recién formadas.
"La formación de estrellas es enemiga de la formación de agujeros negros masivos" en las primeras galaxias, dijo Bromm. "Las estrellas producen retroalimentación que destruye la nube de gas circundante".
Durante décadas, los astrónomos han llamado a este acertijo "el problema de la semilla de cuásar".
En 2003, a Bromm y Loeb se les ocurrió una idea teórica para hacer que una galaxia temprana formara un agujero negro semilla supermasivo, suprimiendo la entrada de energía que, de otro modo, sería prohibitiva de la formación de estrellas. Los astrónomos más tarde denominaron este proceso "colapso directo".
Comience con una "nube primordial de hidrógeno y helio, impregnada en un mar de radiación ultravioleta", dijo Bromm. "Usted aplasta esta nube en el campo gravitacional de un halo de materia oscura. Normalmente, la nube podría enfriarse, y se fragmentan para formar estrellas. Sin embargo, los fotones ultravioleta mantienen el gas caliente, suprimiendo así cualquier formación de estrellas. Estas son las condiciones deseadas, casi milagrosas: ¡colapso sin fragmentación! A medida que el gas se vuelve más y más compacto, eventualmente tienes lacondiciones para un agujero negro masivo ".
Este conjunto de condiciones cósmicas es exquisitamente sensible al período de tiempo en la historia del universo; este proceso no ocurre en las galaxias de hoy.
Según Loeb, "Los cuásares observados en el universo temprano se asemejan a bebés gigantes en una sala de partos llena de bebés normales. Uno se pregunta: ¿qué tiene de especial el entorno que alimentaba a estos bebés gigantes? Por lo general, el depósito de gas frío en las cercaníasgalaxias como la Vía Láctea se consumen principalmente por la formación de estrellas.
"La teoría que propusimos cuando Bromm era mi posdoctorado en Harvard sugirió que las condiciones en la primera generación de galaxias eran diferentes", dijo. "En lugar de hacer muchas estrellas normales, estas galaxias formaron una sola estrella supermasiva en sucentro que terminó colapsando en un agujero negro semilla. Por lo tanto, el gas en estos entornos se utilizó para alimentar este agujero negro semilla en lugar de crear muchas estrellas normales ".
Bromm y Loeb publicaron su teoría en 2003. "Pero en ese entonces todo era teórico", dijo Bromm.
Avance rápido una docena de años, y Bromm ahora es profesor en la Universidad de Texas en Austin con postdoctorados y estudiantes de posgrado propios. Ahí es donde entra Aaron Smith.
Smith, Bromm y Loeb se habían interesado en una galaxia llamada CR7, identificada a partir de un estudio del Telescopio Espacial Hubble llamado COSMOS en un artículo dirigido por Jorryt Matthee de la Universidad de Leiden. Hubble espió CR7 mil millones de años después del Big Bang.
David Sobral, de la Universidad de Lisboa, había realizado observaciones de seguimiento de CR7 con algunos de los telescopios terrestres más grandes del mundo, incluidos Keck y el VLT. Estos descubrieron algunas características extremadamente inusuales en la firma luminosa proveniente de CR7. Específicamente uncierta línea de hidrógeno en el espectro, conocida como "Lyman-alfa", era varias veces más brillante de lo esperado. Sorprendentemente, el espectro también mostró una línea de helio inusualmente brillante.
"Lo que sea que impulse esta fuente está muy caliente, lo suficientemente caliente como para ionizar el helio", dijo Smith. Bromm estuvo de acuerdo. "Necesitas que esté a 100.000 grados Celsius, muy caliente, una fuente ultravioleta muy dura" para que eso suceda, él dijo.
Estas y otras características inusuales en el espectro, como la ausencia de líneas detectadas de elementos más pesados que el helio en lenguaje astronómico, "metales" junto con la distancia de la fuente, y por lo tanto su época cósmica, significaba quepodría ser un cúmulo de estrellas primordiales o un agujero negro supermasivo probablemente formado por colapso directo.
Smith realizó simulaciones para ambos escenarios usando la supercomputadora Stampede en el Centro de Computación Avanzada de Texas de UT Austin.
"Desarrollamos un código novedoso", dijo Smith, y explicó que su código modeló el sistema de manera diferente a las simulaciones anteriores.
"Los modelos antiguos eran como una instantánea; este es como una película", explicó.
El tipo de modelado que utilizó Smith se llama "hidrodinámica de radiación", dijo Bromm. "Es el enfoque más caro en términos de potencia de procesamiento de la computadora".
Sin embargo, el nuevo código dio sus frutos. El escenario del cúmulo de estrellas "falló espectacularmente", dijo Smith, mientras que el modelo de agujero negro de colapso directo funcionó bien.
Bromm dijo que su trabajo es más que comprender el funcionamiento interno de una galaxia temprana.
"Con CR7, tuvimos una observación intrigante. Estamos tratando de explicarla y de predecir qué observaciones futuras encontrarán. Estamos tratando de proporcionar un marco teórico completo".
Además del trabajo de Smith, Bromm y Loeb, la NASA anunció recientemente el descubrimiento de dos candidatos de agujero negro de colapso directo adicionales basados en observaciones con el Observatorio de rayos X Chandra.
Parece que los astrónomos están "convergiendo en este modelo" para resolver el problema de la semilla de cuásar, dijo Smith.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Real Sociedad Astronómica RAS . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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