Una nueva investigación revela el nacimiento de agujeros negros masivos en el universo temprano

Una región de 30,000 años luz de la simulación del Renacimiento centrada en un grupo de galaxias jóvenes que generan radiación (blanco) y metales (verde) mientras calienta el gas circundante. Un halo de materia oscura justo afuera de esta región caliente forma tres estrellas supermasivas (recuadro), cada una más de 1,000 veces la masa de nuestro sol que se colapsará rápidamente en agujeros negros masivos y eventualmente agujeros negros supermasivos durante miles de millones de años. Crédito: Advanced Visualization Lab, Centro Nacional para Aplicaciones de Supercomputación

La luz liberada alrededor de los primeros agujeros negros masivos en el universo es tan intensa que es capaz de alcanzar los telescopios en toda la extensión del universo. Increíblemente, la luz de los agujeros negros (o quásares) más lejanos ha estado viajando hacia nosotros durante más de 13 mil millones de años luz. Sin embargo, no sabemos cómo se formaron estos monstruos agujeros negros.

Una nueva investigación dirigida por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia , la Universidad de Dublín , la Universidad Estatal de Michigan , la Universidad de California en San Diego , el Centro de Supercomputación de San Diego e IBM ofrece una nueva y extremadamente prometedora vía para resolver este enigma cósmico. El equipo demostró que cuando las galaxias se ensamblan extremadamente rápido, y en ocasiones de forma violenta, eso puede llevar a la formación de agujeros negros muy masivos. En estas galaxias raras, la formación de estrellas normal se interrumpe y la formación de agujeros negros se hace cargo.

El nuevo estudio encuentró que los agujeros negros masivos se forman en regiones densas sin estrellas que están creciendo rápidamente, dando la vuelta a la creencia aceptada de que la formación masiva de agujeros negros estaba limitada a regiones bombardeadas por la poderosa radiación de galaxias cercanas. Las conclusiones del estudio basado en simulación, publicado el 23 de enero en la revista Nature y respaldado por fondos de la National Science Foundation, la Unión Europea y la NASA, también encuentran que los agujeros negros masivos son mucho más comunes en el universo de lo que se pensaba anteriormente.

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 que se forma en este nuevo Escenario descubierto, dijo John Wise , profesor asociado del Centro de Astrofísica Relativista de la Escuela de Física de Georgia Tech y el autor correspondiente del artículo. La materia oscura se colapsa en halos que son el pegamento gravitatorio para todas las galaxias. El rápido crecimiento temprano de estos halos impidió la formación de estrellas que habrían competido con los agujeros negros para que la materia gaseosa fluya hacia el área.

"En este estudio, hemos descubierto un mecanismo totalmente nuevo que desencadena la formación de agujeros negros masivos en halos de materia oscura en particular", dijo Wise. “En lugar de solo considerar la radiación, necesitamos observar lo rápido que crecen los halos. No necesitamos mucha física para entenderlo, solo cómo se distribuye la materia oscura y cómo la gravedad afectará eso. La formación de un agujero negro masivo requiere estar en una región rara con una intensa convergencia de materia".

Cuando el equipo de investigación encontró estos sitios de formación de agujeros negros en la simulación, al principio se quedaron perplejos, dijo John Regan, investigador en el Centro de Astrofísica y Relatividad en la Universidad de Dublín. 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 estaban expuestos a altos niveles de formación de estrellas que matan a la radiación", dijo. “A medida que profundizamos, vimos que estos sitios estaban experimentando un período de crecimiento extremadamente rápido. Esa fue la clave. La naturaleza violenta y turbulenta de la formación rápida, el choque violento de los cimientos de la galaxia durante el nacimiento de la galaxia impidieron la formación normal de estrellas y dieron lugar a condiciones perfectas para la formación de agujeros negros. Esta investigación cambia el paradigma anterior y abre 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 un agujero negro, dijo Michael Norman, director del Centro de Supercomputación de San Diego en la 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 es probable que se desarrollen agujeros negros masivos, los investigadores examinaron los datos de simulación y encontraron diez halos de materia oscura específicos que deberían haber formado estrellas debido a su masa pero que solo contenían una densa nube de gas. Usando la supercomputadora Stampede2, volvieron a simular 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 estaba sucediendo 270 millones de años después del Big Bang.

"Fue solo en estas regiones demasiado densas del universo que vimos la formación de estos agujeros negros", dijo Wise. "La materia oscura crea la mayor parte de la gravedad, y luego el gas cae en ese potencial gravitatorio, donde puede formar estrellas o un agujero negro masivo".

Las Simulaciones del Renacimiento son las más completas de las primeras etapas del ensamblaje gravitacional del gas prístino compuesto de hidrógeno y helio y materia oscura fría que conduce a la formación de las primeras estrellas y galaxias. Utilizan una técnica conocida como refinamiento de malla adaptativa para acercarse a 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 gases y grupos de materia formándose a medida que los precursores del agujero negro comenzaron a condensarse y girar. Su tasa de crecimiento fue dramática.

Zoom de los 30 años luz interiores del halo de materia oscura. El disco gaseoso giratorio se rompe en tres grupos que se colapsan bajo su propia gravedad para formar estrellas supermasivas. Crédito: John Wise, Instituto de Tecnología de Georgia

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

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 raros, pueden ser lo suficientemente comunes", dijo Brian O'Shea, profesor de la Universidad Estatal de Michigan. "Predecimos que este escenario sucederá lo suficiente como para ser 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 de formación de agujeros negros masivos, 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 futura 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 regresar a las simulaciones.

"Las simulaciones del Renacimiento son lo suficientemente ricas como para que se puedan hacer otros descubrimientos usando datos ya calculados", dijo Norman. "Por esta razón, hemos creado un archivo público en SDSC que contiene el Laboratorio de Simulaciones del Renacimiento donde otros pueden resolver sus propias preguntas".

Esta visualización se realizó desde la región "RarePeak" en las Simulaciones del Renacimiento que siguen la formación de 800 galaxias en una región demasiado densa del universo cuando tenía solo 270 millones de años. El azul y el rojo indican gas neutro (frío) e ionizado (caliente). El blanco muestra dónde las galaxias están creando luz ultravioleta, calentando el gas intergaláctico circundante. Esta simulación se ejecutó en la supercomputadora Blue Waters en el Centro Nacional para Aplicaciones de Supercomputación (NCSA).

Esta investigación fue apoyada por la National Science Foundation a través de las subvenciones PHY-1430152, AST-1514700, AST-161433 y OAC-1835213, por las subvenciones de la NASA NNX12AC98G, 147 NNX15AP39G y NNX17AG23G, y por la teoría de Hubble HST-AR-13261.01, HST -AR-14315.001, y HST-AR-14326. Este proyecto ha sido financiado por el programa de investigación e innovación Horizon 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención No 699941 (Marie Sklodowska-Curie Actions - “SmartStars). La simulación se realizó en la supercomputadora Blue Waters operada por el Centro Nacional para Aplicaciones de Supercomputación (NCSA) con el apoyo de asignación de PRAC por parte de la NSF (premios ACI-0832662, ACI-1238993 y ACI-1514580). Cualquier opinión, hallazgo,

CITA : John H. Wise, et al., "Formación de agujeros negros masivos en nubes de gas pre-galácticas en rápido crecimiento" (Nature 2019). http://dx.doi.org/10.1038/s41586-019-0873-4

Laboratorio de simulaciones del Renacimiento: https://rensimlab.github.io

Fuente: Instituto de Tecnología de Georgia,