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| Credit: Event Horizon Telescope Collaboration |
Los agujeros negros supermasivos, o SMBH, son agujeros negros con masas que son de varios millones a miles de millones de veces la masa de nuestro sol. La Vía Láctea alberga un SMBH con una masa de unos pocos millones de veces la masa solar. Sorprendentemente, las observaciones astrofísicas muestran que las SMBH ya existían cuando el universo era muy joven. Por ejemplo, se encuentran mil millones de agujeros negros de masa solar cuando el universo tenía solo el 6% de su edad actual, 13,7 mil millones de años. ¿Cómo se originan estos SMBH en el universo temprano?
Un equipo dirigido por un físico teórico de la Universidad de California en Riverside ha encontrado una explicación: un enorme agujero negro semilla que podría producir el colapso de un halo de materia oscura.
El halo de materia oscura es el halo de materia invisible que rodea una galaxia o un cúmulo de galaxias. Aunque nunca se ha detectado materia oscura en los laboratorios, los físicos siguen confiando en que existe esta misteriosa materia que constituye el 85% de la materia del universo. Si la materia visible de una galaxia no estuviera incrustada en un halo de materia oscura, esta materia se desintegraría.
"Los físicos están desconcertados por qué las SMBH en el universo temprano, que se encuentran en las regiones centrales de los halos de materia oscura, crecen tan masivamente en poco tiempo", dijo Hai-Bo Yu, profesor asociado de física y astronomía en UC Riverside, quien dirigió el estudio que aparece en Astrophysical Journal Letters. "Es como un niño de 5 años que pesa, digamos, 200 libras. Un niño así nos sorprendería a todos porque conocemos el peso típico de un bebé recién nacido y lo rápido que puede crecer. En lo que respecta a los agujeros negros, los físicos tienen expectativas generales sobre la masa de un agujero negro semilla y su tasa de crecimiento. La presencia de SMBHs sugiere que estas expectativas generales han sido violadas, requiriendo nuevos conocimientos. Y eso es emocionante".
Un agujero negro semilla es un agujero negro en su etapa inicial, similar a la etapa del bebé en la vida de un ser humano.
"Podemos pensar en dos razones", agregó Yu. "El agujero negro semilla, o 'bebé', es mucho más masivo o crece mucho más rápido de lo que pensábamos, o ambas cosas. La pregunta que surge entonces es cuáles son los mecanismos físicos para producir un agujero negro semilla suficientemente masivo o para lograr una tasa de crecimiento lo suficientemente rápida?"
"Se necesita tiempo para que los agujeros negros se vuelvan masivos mediante la acumulación de materia circundante", dijo el coautor Yi-Ming Zhong, investigador postdoctoral en el Instituto Kavli de Física Cosmológica de la Universidad de Chicago. "Nuestro artículo muestra que si la materia oscura tiene auto-interacciones, entonces el colapso gravotermal de un halo puede conducir a un agujero negro semilla lo suficientemente masivo. Su tasa de crecimiento sería más consistente con las expectativas generales".
En astrofísica, un mecanismo popular utilizado para explicar las SMBH es el colapso de gas prístino en protogalaxias en el universo temprano.
"Este mecanismo, sin embargo, no puede producir un agujero negro semilla lo suficientemente masivo para acomodar las SMBHs recién observadas, a menos que el agujero negro semilla experimente una tasa de crecimiento extremadamente rápida", dijo Yu. "Nuestro trabajo proporciona una explicación alternativa: un halo de materia oscura que interactúa consigo mismo experimenta inestabilidad gravotérmica y su región central colapsa en un agujero negro semilla".
La explicación que proponen Yu y sus colegas funciona de la siguiente manera:
Las partículas de materia oscura primero se agrupan bajo la influencia de la gravedad y forman un halo de materia oscura. Durante la evolución del halo, operan dos fuerzas en competencia, la gravedad y la presión. Mientras que la gravedad empuja las partículas de materia oscura hacia adentro, la presión las empuja hacia afuera. Si las partículas de materia oscura no tienen interacciones propias, entonces, a medida que la gravedad las empuja hacia el halo central, se calientan más, es decir, se mueven más rápido, la presión aumenta de manera efectiva y se recuperan. Sin embargo, en el caso de la auto-interacción de la materia oscura, las auto-interacciones de la materia oscura pueden transportar el calor de esas partículas "más calientes" a las cercanas más frías. Esto dificulta la recuperación de las partículas de materia oscura.
Yu explicó que el halo central, que colapsaría en un agujero negro, tiene un momento angular, lo que significa que gira. Las autointeracciones pueden inducir viscosidad o "fricción" que disipa el momento angular. Durante el proceso de colapso, el halo central, que tiene una masa fija, se contrae en radio y se ralentiza en rotación debido a la viscosidad. A medida que continúa la evolución, el halo central finalmente colapsa en un estado singular: un agujero negro semilla. Esta semilla puede crecer más masiva acumulando materia bariónica (o visible) circundante, como gas y estrellas.
"La ventaja de nuestro escenario es que la masa del agujero negro semilla puede ser alta, ya que se produce por el colapso de un halo de materia oscura", dijo Yu. "Por lo tanto, puede convertirse en un agujero negro supermasivo en una escala de tiempo relativamente corta".
El nuevo trabajo es novedoso en el sentido de que los investigadores identifican la importancia de los bariones, partículas atómicas y moleculares ordinarias, para que esta idea funcione.
"Primero, mostramos que la presencia de bariones, como gas y estrellas, puede acelerar significativamente el inicio del colapso gravotérmico de un halo y podría crearse un agujero negro semilla lo suficientemente temprano", dijo Wei-Xiang Feng, estudiante de posgrado de Yu. y coautor del artículo. "En segundo lugar, mostramos que las autointeracciones pueden inducir una viscosidad que disipa el momento angular remanente del halo central. En tercer lugar, desarrollamos un método para examinar la condición para desencadenar la inestabilidad relativista general del halo colapsado, lo que asegura que un agujero negro semilla podría formulario si se cumple la condición".
Durante la última década, Yu ha explorado predicciones novedosas de las auto-interacciones de la materia oscura y sus consecuencias observacionales. Su trabajo ha demostrado que la materia oscura que interactúa consigo misma puede proporcionar una buena explicación del movimiento observado de las estrellas y el gas en las galaxias.
"En muchas galaxias, las estrellas y el gas dominan sus regiones centrales", dijo. "Por lo tanto, es natural preguntarse cómo la presencia de esta materia bariónica afecta el proceso de colapso. Demostramos que acelerará el inicio del colapso. Esta característica es exactamente lo que necesitamos para explicar el origen de los agujeros negros supermasivos en el universo temprano. . Las autointeracciones también conducen a una viscosidad que puede disipar el momento angular del halo central y ayudar aún más al proceso de colapso".