Los agujeros negros primordiales que se formaron durante los primeros momentos del universo podrían haberse hinchado rápidamente a los tamaños supermasivos, han revelado simulaciones cosmológicas complejas.
El descubrimiento podría conducir a una solución para uno de los mayores problemas en la cosmología moderna: cómo agujeros negros supermasivos podría haber crecido para ser millones o miles de millones de veces más masivos que el sol Antes del universo tenía mil millones de años.
Este problema se ha salido de control recientemente, gracias a la NASA Telescopio espacial James Webb (JWST). El poderoso alcance ha estado investigando el universo temprano, descubriendo más y más agujeros negros supermasivos que existieron solo 700 millones de años después. El Big Bango incluso antes.
“El problema aquí es que, cuando vemos el universo temprano con telescopios cada vez más poderosos, que efectivamente nos permiten ver el cosmos como lo fue en los primeros tiempos debido a la velocidad finita de la luz, seguimos viendo agujeros negros supermasivos”, dijo John Regan, miembro del equipo de investigación, un becario de investigación de la Universidad Real de la Sociedad Royal en la Universidad de Maynooth en Irlanda en Irlanda. “Esto significa que los agujeros negros supermasivos están en su lugar muy temprano en el universodentro de los primeros cientos de millones de años “.
Los procesos que los científicos propusieron previamente para explicar el crecimiento de la supermasiva agujeros negroscomo la acumulación de materia rápida y fusiones entre agujeros negros más grandes y más grandesdebería tardar más de mil millones de años en cultivar un agujero negro supermasivo.
El agujero negro supermasivo más temprano y distante descubierto hasta ahora por JWST es Ceers 1019que existió solo 570 millones de años después del Big Bang y tiene una masa 9 millones de veces que la del sol. Eso es demasiado grande para existir hace 13.2 mil millones de años, según los modelos establecidos.
“Esto es confuso, ya que los agujeros negros deben aparecer en esta gran masa o crecer desde una masa más pequeña extremadamente rápido”, dijo Regan. “No tenemos evidencia que sugiera que se puedan formar agujeros negros con estas enormes masas, y no entendemos completamente cómo los pequeños agujeros negros podrían crecer tan rápidamente”.
La nueva investigación sugiere que los agujeros negros primordiales podrían haber dado a los primeros agujeros negros supermasivos una ventaja en esta carrera.
Los agujeros negros no astrofísicos tienen una ventaja
Los agujeros negros vienen en una variedad de diferentes masas. Los agujeros negros de masa estelar, que son de 10 a 100 veces más fuertes que el sol, se crean cuando las estrellas masivas agotan su combustible nuclear y se derrumban para desencadenar enorme supernova explosiones.
Los agujeros negros supermasivos tienen al menos un millón de veces la masa del sol y se sientan en el corazón de todas las grandes galaxias. Son demasiado grandes para formarse cuando una estrella masiva muere. En cambio, estos agujeros negros se crean cuando los agujeros negros más pequeños se fusionan innumerables veces, o al alimentarse vorazmente de la materia circundante, o en una combinación de ambos procesos.
Estos dos ejemplos de agujeros negros, así como agujeros negros de masa intermedia esquivaque se encuentran en el Golfo de Mass entre los agujeros de masa estelar y los supermasivos, se clasifican como agujeros negros “astrofísicos”.
Los científicos han propuesto durante mucho tiempo la existencia de agujeros negros “no astrofísicos”, en forma de agujeros negros primordiales. El descriptor “no astrofísico” se refiere al hecho de que estos agujeros negros no dependen de estrellas colapsantes o agujeros negros anteriores para su existencia.
En cambio, se proponen agujeros negros primordiales para formarse directamente desde bolsillos con daño en la sopa de materia al vapor que llenó el universo en el primer segundo después del Big Bang.
No hay evidencia de observación de estos agujeros negros primordiales hasta ahora. Sin embargo, eso no ha impedido que los científicos sugieran que estos objetos hipotéticos podrían explicar materia oscuralas misteriosas “cosas” que representan el 85% de la materia en el universo pero permanece invisible porque no interactúa con la luz.
La nueva investigación sugiere que los agujeros negros primordiales, propuestos por tener masas entre 1/100,000, las de un clip y 100,000 veces que el sol, podrían tener una gran ventaja para formar rápidamente agujeros negros supermasivos. Esto se debe a que el límite superior en su masa no está restringido por lo masiva que puede ser una estrella antes de que muera, como es el caso con los agujeros negros de masa estelares.
“Los agujeros negros primordiales deben formarse durante los primeros segundos después del Big Bang. Si existen, tienen algunas ventajas sobre los agujeros negros astrofísicos”, dijo Regan. “En principio, pueden ser más masivos para comenzar en comparación con los agujeros negros astrofísicos y pueden establecerse más fácilmente en los centros galácticos, donde pueden crecer rápidamente”.
Los agujeros negros primordiales también pueden iniciar los agujeros negros de masa estelar, porque no tienen que esperar a que muera la primera generación de estrellas masivas, un proceso que podría tomar millones de años.
Regan explicó que, debido a sus orígenes, los agujeros negros astrofísicos solo pueden formarse después de que las primeras estrellas se queden sin combustible. Incluso entonces, los agujeros negros astrofísicos aún pueden ser solo unos pocos cientos de masas solares en total. Además, impactar negativamente la posibilidad de un crecimiento suprasivo de agujeros negros de los agujeros negros de masa estelar es el hecho de que la energía emitida por las estrellas durante sus vidas y sus explosivas muertes de supernova despeja material de los agujeros negros recién nacidos, agotando su potencial larder y reduciendo su crecimiento.
“Eso puede significar que no hay material para que el agujero negro del bebé acumule”, explicó Regan.
Los agujeros negros primordiales no emitirían energía y no “irían a Nova, eliminando este obstáculo. Pero, aún necesitarían encontrar su camino hacia una fuente abundante de materia.
¿Los agujeros negros primordiales se superponen en el corazón de las galaxias?
En la simulación realizada por Regan y sus colegas, los agujeros negros primordiales necesitaban crecer acumulando materia, con fusiones de agujeros negros que toman un asiento trasero en el proceso.
“La materia en el universo temprano se compone principalmente de hidrógeno y helio”, continuó Regan. “Se espera que estos agujeros negros primordiales crezcan principalmente acumulando hidrógeno y helio. Las fusiones con otros agujeros negros primordiales también pueden desempeñar un papel, pero se espera que la acumulación sea dominante”.
Para que la acumulación de agujeros negros primordiales sea lo suficientemente eficiente como para dar como resultado la creación de agujeros negros supermasivos, estos objetos deben poder engullir rápidamente la materia. Eso significa dirigirse a las regiones del universo donde la materia se congrega, a saber, el centro de las galaxias, que también es donde los agujeros negros supermasivos acechan en la época moderna del cosmos.
“Para esto, los agujeros negros primordiales deben hundirse en el centro de una galaxia”, dijo Regan. “Esto puede suceder si hay suficientes agujeros negros primordiales. ¡Solo unos pocos tienen que tener suerte!”
El número de agujeros negros primordiales disponibles para este proceso determina si los agujeros negros astrofísicos eventualmente desempeñarían un papel en el crecimiento de los primeros agujeros negros supermasivos.
“Si los agujeros negros primordiales son muy abundantes, entonces pueden inventar toda la población supermasiva de agujeros negros”, dijo Regan. “Si los agujeros negros primordiales representan toda la masa de los primeros agujeros negros supermasivos dependen de cuántos hay. En principio, es posible, pero supongo que también los agujeros negros astrofísicos también juegan un papel”.
Por supuesto, estos hallazgos se basan en simulaciones, por lo que hay un largo camino por recorrer antes de que se pueda confirmar esta teoría. Una línea de evidencia observacional de esta teoría sería la detección de un agujero negro masivo en el mismo, muy universo temprano, antes de 500 millones de años después del Big Bang.
Otra posible línea de evidencia de observación sería la detección de un agujero negro con una masa más pequeña de tres veces mayor que la del sol en el universo moderno. Esto se debe a que ningún agujero negro tan pequeño podría haberse formado a partir de la muerte de la supernova y el colapso de una estrella masiva, lo que indica que este diminuto agujero negro creció de uno primordial.
“Me sorprendió que los agujeros negros primordiales crecieran tan rápidamente y que nuestras simulaciones al menos coincidían con el espacio de parámetros en el que pueden existir”, dijo Regan. “Todo lo que necesitamos ahora es una ‘pistola de fumar’ de un agujero negro primordial de las observaciones, ya sea un agujero negro de muy baja masa en el universo actual o un agujero negro de alta masa en el universo muy temprano.
“¡Los agujeros negros primordiales, si existen, se esconderán en los extremos!”
En lugar de tal evidencia de observación, el equipo buscará mejorar sus simulaciones cosmológicas para fortalecer la teoría de los agujeros negros supermasivos que comienzan como agujeros negros primordiales.
“Los siguientes pasos son aumentar el realismo de las simulaciones. Este fue un primer paso. Las simulaciones solo tenían agujeros negros primordiales”, concluyó Regan. “Luego, queremos modelar agujeros negros primordiales y astrofísicos en el mismo entorno y ver si podemos ver alguna característica distintiva”.
La investigación del equipo aparece como un documento de revisión previa al par en el sitio del repositorio arxiv.