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ASTRONOMÍA. Cómo las colisiones estelares forjaron los primeros agujeros negros supermasivos del universo

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El telescopio espacial James Webb ha descubierto que los agujeros negros supermasivos existieron tan solo 450 millones de años después del Big Bang, lo que pone en entredicho nuestra comprensión de su rápida formación

Descubrimientos recientes del telescopio espacial James Webb revelan que los agujeros negros supermasivos existían mucho antes de lo que se creía, lo que plantea importantes preguntas sobre sus orígenes y crecimiento.

16 enero 2025.- El telescopio espacial James Webb (JWST) ha revelado que los agujeros negros supermasivos (SMBH), con masas superiores a un millón de veces la del Sol, existían ya 450 millones de años después del Big Bang . Esto plantea una pregunta convincente: ¿cómo se formaron tan rápidamente estos objetos colosales?


Los investigadores del Instituto Max Planck de Astrofísica (MPA) han utilizado simulaciones avanzadas de supercomputadoras para descubrir una vía plausible. Sus hallazgos muestran que las semillas de SMBH, con masas de unos pocos miles de masas solares, podrían formarse rápidamente en cúmulos estelares densos y dinámicos en el Universo primitivo. Dentro de estos cúmulos, las colisiones entre estrellas masivas producen estrellas supermasivas, que finalmente colapsan directamente en agujeros negros. Estos agujeros negros pueden luego crecer más a través de fusiones con otros agujeros negros.


Este nuevo modelo se alinea bien con las observaciones del JWST y ofrece una explicación realista de la formación de semillas de SMBH que son lo suficientemente masivas como para evolucionar hasta convertirse en los primeros agujeros negros supermasivos observados. Es importante destacar que los investigadores predicen que este proceso deja tras de sí una señal de onda gravitacional distintiva de las fusiones de agujeros negros . Estas señales podrían probarse directamente con la próxima generación de observatorios de ondas gravitacionales, lo que proporcionaría una prueba crítica para su modelo.

Agujeros negros supermasivos y misterios del universo primitivo

Los agujeros negros supermasivos (SMBHs), con masas que superan un millón de veces la del Sol, se encuentran en casi todas las galaxias masivas, incluida la Vía Láctea . Observaciones recientes del telescopio espacial James Webb (JWST) han revelado que estos objetos colosales existían ya 450 millones de años después del Big Bang . Sus orígenes siguen siendo uno de los enigmas más intrigantes y sin resolver de la astrofísica moderna.


Figura 1: El complejo canal de formación de un agujero negro supermasivo con 2200 masas solares. Seis subcúmulos en la región en colapso aportan estrellas y agujeros negros para el cúmulo estelar masivo en formación. Muchas colisiones estelares (círculos rojo y azul) forman rápidamente un agujero negro de 2025 masas solares en tan solo unos pocos millones de años. A partir de entonces, el agujero negro crece mediante fusiones con otros agujeros negros más pequeños y mediante la disrupción de estrellas por las mareas. Algunos agujeros negros de menor masa son expulsados ​​por retrocesos gravitacionales. Fuente: Instituto Max Planck de Astrofísica

Orígenes y desafíos de las primeras semillas de SMBH

Las primeras estrellas del Universo pueden haber dejado atrás agujeros negros con masas de unos pocos cientos de masas solares. Sin embargo, estas semillas de SMBH “ligeras” enfrentan desafíos para explicar la población observada de SMBH de rápido crecimiento en el Universo primitivo. La tasa máxima a la que estos agujeros negros pueden crecer consumiendo gas, conocida como el límite de Eddington, impone restricciones estrictas a su velocidad de crecimiento. Dado el tiempo limitado disponible (apenas unos pocos cientos de millones de años), las semillas ligeras no pueden explicar los SMBH masivos que ya se observan a altos desplazamientos al rojo.


Para abordar este problema, muchos modelos teóricos proponen que las semillas de los SMBH eran en cambio “pesadas”, es decir, que se formaron con masas iniciales superiores a mil masas solares. Estas semillas pesadas habrían tenido una ventaja de crecimiento significativa sobre sus contrapartes más ligeras. Los escenarios de formación clave para estas semillas pesadas incluyen colisiones estelares descontroladas en cúmulos estelares densos, el colapso directo de nubes de gas sin metales en halos de enfriamiento atómico e ideas más especulativas que involucran física exótica “nueva”, como los agujeros negros primordiales. Estos escenarios ofrecen una variedad de vías para explicar cómo los primeros agujeros negros supermasivos surgieron tan rápidamente en el cosmos primitivo.


En los cúmulos estelares densos, las colisiones estelares repetidas pueden formar estrellas muy masivas e incluso supermasivas. En el Universo primitivo, que aún está poco enriquecido con elementos pesados, los vientos estelares suelen ser débiles y los productos de la colisión estelar conservarán la mayor parte de su masa. Al final de sus vidas, estas estrellas supermasivas formadas por colisión colapsan y forman las semillas de los SMBH.


Figura 2. Masas primarias y secundarias de agujeros negros fusionándose en cúmulos estelares tempranos por la emisión de ondas gravitacionales de la simulación (círculos negros). Las ondas gravitacionales observadas de las fusiones de agujeros negros se indican con cruces amarillas (LIGO avanzado y Virgo avanzado). El modelo predice fusiones de agujeros negros de ~ 1000 masas solares con varios agujeros negros de 10 a 100 masas solares que pueden detectarse con los telescopios de ondas gravitacionales de próxima generación como el telescopio Einstein o LISA. Fuente: Instituto Max Planck de Astrofísica


Las simulaciones anteriores se habían centrado en el estudio de cúmulos estelares esféricos y aislados. En cambio, tanto las observaciones del JWST como las simulaciones de formación de galaxias hidrodinámicas de última generación respaldan la idea de que los cúmulos estelares masivos se forman a través de un complejo ensamblaje jerárquico. Esta fue la motivación clave para que los investigadores del MPA volvieran a explorar el escenario de formación de semillas de SMBH por colisión descontrolada en la configuración de cúmulos más realista. Este escenario es muy diferente del escenario de colapso directo de nubes de gas, que se basa en evitar el enfriamiento y la fragmentación de las nubes en cúmulos de estrellas.


Dinámica de colisiones y potencial de investigación futura

Los investigadores realizaron nuevas simulaciones de cúmulos estelares masivos con varios millones de estrellas individuales que se forman a partir del rápido ensamblaje de varios cientos de protocúmulos. El código de simulación directa de N cuerpos recientemente desarrollado, BIFROST, utilizado para las simulaciones, se ejecuta en hardware GPU de bajo consumo de energía, puede seguir la evolución estelar, las fusiones estelares y tiene en cuenta con precisión los efectos de la relatividad general durante la interacción de los agujeros negros.


En particular, el código calcula la emisión de ondas gravitacionales cuando dos agujeros negros se fusionan. Al final de la fusión, la emisión de ondas gravitacionales anisotrópicas puede impulsar a los agujeros negros recién formados a velocidades de varios miles de km/s.


Estas ondas gravitacionales de retroceso, que pueden expulsar los restos de la fusión de los agujeros negros de sus cúmulos de nacimiento, también se modelan con el código.

En la Figura 1 se ilustran las trayectorias de colisión de las estrellas masivas y las semillas de los SMBH formados. Normalmente, solo la estrella más masiva de los subcúmulos crece rápidamente mediante colisiones con otras estrellas masivas. Una vez que las estrellas superan la masa de varios cientos de masas solares, los modelos de evolución estelar predicen que colapsarán directamente en agujeros negros al final de sus vidas.


Después de su formación, las diversas semillas de SMBH en el cúmulo estelar masivo ensamblado experimentan una rica historia de interacciones y fusiones mediante las cuales las semillas de SMBH pueden seguir creciendo. Varios agujeros negros son expulsados ​​del cúmulo a través de fuertes interacciones de pocos cuerpos newtonianos o retrocesos de ondas gravitacionales relativistas. El escenario de desbocamiento jerárquico predice una población de fusiones de ondas gravitacionales a altos corrimientos al rojo en los que las semillas de SMBH se fusionan con agujeros negros de masa estelar de varias decenas a cientos de masas solares (Figura 2).


Los observatorios de ondas gravitacionales actuales no pueden detectar muy bien las fusiones de agujeros negros con masas superiores a 500 solares o con grandes desplazamientos al rojo. Sin embargo, el escenario de los investigadores de MPA se puede poner a prueba con los experimentos de ondas gravitacionales de próxima generación, como LISA y el telescopio Einstein.


Fuentes:

1. “FROST-CLUSTERS – I. Hierarchical star cluster assembly boosts intermediate-mass black hole formation” by Antti Rantala, Thorsten Naab and Natalia Lahén, 6 June 2024, Monthly Notices of the Royal Astronomical SocietyDOI: 10.1093/mnras/stae1413


2. “BIFROST: simulating compact subsystems in star clusters using a hierarchical fourth-order forward symplectic integrator code” by Antti Rantala, Thorsten Naab, Francesco Paolo Rizzuto, Matias Mannerkoski, Christian Partmann and Kristina Lautenschütz, 5 May 2023, Monthly Notices of the Royal Astronomical SocietyDOI: 10.1093/mnras/stad1360

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