Gran simulación encuentra un nuevo origen de agujeros negros supermasivos.

Figura 1:  Representación artística de la formación de estrellas supermasivas que evolucionan en un agujero negro supermasivo. Agrandar imagen.
Crédito: NAOJ.
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Las simulaciones por computadora realizadas por astrofísicos en la Universidad de Tohoku en Japón, han revelado una nueva teoría para el origen de los agujeros negros supermasivos. En esta teoría, los precursores de los agujeros negros supermasivos crecen al tragar no solo gas interestelar, sino también estrellas más pequeñas. Esto ayuda a explicar la gran cantidad de agujeros negros supermasivos observados hoy.

Casi todas las galaxias del Universo moderno tienen un agujero negro supermasivo en su centro. Sus masas a veces pueden alcanzar hasta 10 mil millones de veces la masa del Sol. Sin embargo, su origen sigue siendo uno de los grandes misterios de la Astronomía. 

Una teoría popular es el modelo de colapso directo donde las nubes primordiales de gas interestelar colapsan bajo la gravedad propia para formar estrellas supermasivas que luego evolucionan en agujeros negros supermasivos. 

Pero estudios anteriores han demostrado que el colapso directo solo funciona con gas prístino que consiste solo en hidrógeno y helio. Elementos más pesados ​​como el carbono y el oxígeno cambian la dinámica de los gases, lo que hace que el gas que se colapsa se fragmente en muchas nubes más pequeñas que forman sus propias estrellas pequeñas, en lugar de unas pocas estrellas supermasivas.

Sunmyon Chon, becario postdoctoral en la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia y la Universidad de Tohoku, y su equipo utilizaron la supercomputadora del Observatorio Astronómico Nacional de Japón «ATERUI II» para realizar simulaciones 3D de alta resolución a largo plazo para probar la posibilidad de que las estrellas supermasivas podrían formarse incluso en gas enriquecido con elementos pesados. 

Esta investigación utilizó el superordenador NAOJ ATERUI II (Cray XC50) para la simulación de la formación estelar masiva. ATERUI II funciona en el campus NAOJ Mizusawa (Oshu, Iwate) con un rendimiento teórico máximo de 3.087 Pflops. 
Crédito de la imagen: NAOJ.

La formación de estrellas en nubes de gas que incluyen elementos pesados ​​ha sido difícil de simular debido al costo computacional de simular la división violenta del gas, pero los avances en la potencia informática, específicamente la alta velocidad de cálculo de «ATERUI II» puesta en servicio en 2018, permitieron al equipo superar este desafío Estas nuevas simulaciones permiten estudiar la formación de estrellas a partir de nubes de gas con más detalle.

Contrariamente a las predicciones anteriores, el equipo de investigación descubrió que las estrellas supermasivas aún pueden formarse a partir de nubes de gas enriquecidas con elementos pesados. Como se esperaba, la nube de gas se rompe violentamente y se forman muchas estrellas más pequeñas. Sin embargo, hay un fuerte flujo de gas hacia el centro de la nube; Las estrellas más pequeñas son arrastradas por este flujo y son absorbidas por las estrellas masivas en el centro. 

Las simulaciones resultaron en la formación de una estrella masiva 10,000 veces más masiva que el Sol. “Esta es la primera vez que mostramos la formación de un precursor de agujero negro tan grande en nubes enriquecidas en elementos pesados. Creemos que la estrella gigante así formada continuará creciendo y evolucionando hacia un agujero negro gigante ”, dice Chon.

Figura 2: Instantáneas de las simulaciones que muestran la distribución de la materia en el Universo en el momento de la formación de agujeros negros (fondo) y la distribución de densidad de las nubes de gas que producen agujeros negros (fondo). 
En el panel inferior, los puntos negros cerca del centro de la figura representan estrellas masivas, que se cree que evolucionan en un agujero negro en el tiempo. Los puntos blancos representan estrellas que son más pequeñas que 10 masas solares y se formaron por la fragmentación de la nube de gas. Muchas de las estrellas más pequeñas se fusionan con las estrellas supermasivas en el centro, permitiendo que las estrellas masivas crezcan eficientemente. 
Crédito: Sunmyon Chon.
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Película: Visualización de simulación de formación estelar masiva. 
Los puntos negros representan estrellas masivas y los puntos blancos representan estrellas con pequeñas masas. Mientras se forman estrellas masivas en el centro de la nube de gas, también se forman numerosas estrellas más pequeñas a partir del gas circundante a medida que se rompe violentamente. Muchas de las estrellas más pequeñas se mueven con el flujo de gas y se fusionan con las estrellas masivas. 
Crédito: Sunmyon Chon.
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Figura 3: Distribución masiva de estrellas formadas en la simulación de nubes de gas que contienen elementos pesados. 
En esta investigación, la evolución de las primeras estrellas se calculó durante aproximadamente 10,000 años después de su formación. La presencia de elementos pesados ​​como el carbono y el oxígeno hace que la nube de gas se rompa violentamente, lo que resulta en una distribución con un pico alrededor de una masa solar. Por otro lado, también se formaría una estrella supermasiva 10,000 veces la masa del Sol al mismo tiempo. Se cree que las estrellas supermasivas crecerán más en masa y eventualmente evolucionarán hacia un agujero negro supermasivo. 
Crédito: Sunmyon Chon.
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Este nuevo modelo muestra que no solo el gas primordial, sino también el gas que contiene elementos pesados ​​puede formar estrellas gigantes, que son semillas de agujeros negros. «Nuestro nuevo modelo puede explicar el origen de más agujeros negros que los estudios anteriores, y este resultado conduce a una comprensión unificada del origen de los agujeros negros supermasivos», dice Kazuyuki Omukai, profesor de la Universidad de Tohoku.

Este resultado fue publicado como Chon y Omukai «Formación estelar supermasiva a través de la acumulación súper competitiva en nubes ligeramente enriquecidas en metal» en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society en Mayo de 2020.

Trabajo de investigación:

Título: Supermassive star formation via super competitive accretion in slightly metal-enriched clouds.
Journal: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Authors: Sunmyon Chon and Kazuyuki Omukai.
DOI: 10.1093/mnras/staa863

Fuente: National Astronomical Observatory of Japan, (NAOJ).

Artículo original: «Large Simulation Finds New Origin of Supermassive Black Holes«. June 2, 2020.

Material relacionado:

La 236 aba Reunión de la Sociedad Americana de Astronomía tuvo lugar esta semana del 1 al 3 de Junio, de forma totalmente virtual. El equipo de Astrobites, día a día, ofreció una reseña de las presentaciones, charlas y workshops que tuvieron lugar. A continuación ponemos un extracto de una de dichas reseñas, en la que uno de los Investigadores presenta su trabajo sobre cómo crecen los agujeros negros, que transcribimos a continuación.

Concluyendo la conferencia de Prensa del primer día, estuvo Fabio Pacucci (Iniciativa del Agujero Negro y Centro de Astrofísica), discutiendo cómo crecen los agujeros negros. Sabemos que los agujeros negros se presentan en una variedad de masas, que van desde algunos pocas veces más masivos que el Sol hasta millones de veces más masivos que él. Lo que no sabemos es cómo estos agujeros negros llegan a ser tan grandes.

Conclusiones del Dr. Fabio Pacucci sobre cómo crecen los agujeros negros de diferentes tamaños en diferentes momentos del Universo. 
Crédito Ilustraciones: M. Weiss.

Fundamentalmente, hay dos formas en que un agujero negro puede adquirir más masa: o bien acumulan lentamente materia de sus entornos cercanos con el tiempo, o se fusionan con otros agujeros negros, y en un corto período de tiempo crean un agujero negro más grande casi tan grande como la suma de los dos individuos. Pacucci discutió un conjunto de simulaciones destinadas a descifrar qué agujeros negros están dominados por la acumulación y cuáles están dominados por la fusión.

Pacucci descubrió que para los agujeros negros cercanos, los agujeros negros más ligeros tienen más probabilidades de ganar masa por acreción y los agujeros negros pesados ​​por medio de fusiones. 

Lo extraño es que si se mira a los agujeros negros más alejados de nosotros, entonces exactamente lo contrario es cierto, es decir, los agujeros negros lejanos y ligeros probablemente adquieran masa al fusionarse y los agujeros negros lejanos y pesados ​​probablemente se alimenten por acreción. 

Esto es importante porque el mecanismo de crecimiento tiene implicaciones para el giro de estos sistemas, ya que es probable que los agujeros negros que crecen por acreción giren mucho más rápido que los que crecen por fusiones. 

Esto tiene consecuencias directas de observación, ya que los agujeros negros en rotación deberían ser más eficientes en la emisión de radiación y, por lo tanto, pueden ser más fáciles de observar con observatorios electromagnéticos, mientras que los agujeros negros que crecen de las fusiones probablemente se detecten mejor con detectores de ondas gravitacionales. Pacucci resumió esto muy bien y señaló que «este [estudio] informará las decisiones sobre estrategias de observación con futuros telescopios espaciales.

Otros artículos:

Los astrofísicos de Columbia han descubierto 12 agujeros negros binarios de  baja masa, que orbitan Sgr A * dentro de un círculo de 1 parsec, en el centro de la Vía Láctea. Su existencia sugiere que hay probablemente unos 10,000 agujeros negros dentro de una distancia de sólo tres años luz del Centro Galáctico. El siguiente artículo lo presenta y contiene además una selección de recursos sobre Sagitarius A, desde su descubrimiento, estudios de estrellas que lo orbitan, los jets que emanan de agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias y la discusión de la coevolución de un agujero negro supermasivo y la galaxia que lo aloja, los cúmulos estelares en el centro galáctico y su relación con la formación de binarias de agujeros negros, su fusión y la producción de Ondas Gravitacionales asociada, …. etc.:

Con un peso de millones a miles de millones de veces la masa de nuestro Sol, los agujeros negros supermasivos son los pesos pesados ​​más importantes, y acechan en los centros de casi todas las galaxias grandes. 

Aunque no emiten luz, estos objetos pueden crear espectaculares fuegos artificiales celestes a medida que se alimentan de gas y polvo, creando chorros de partículas de alta energía y discos giratorios de escombros que pueden verse a través del cosmos como núcleos galácticos activos (AGN). 

Ahora, los científicos han identificado una erupción en el lejano AGN que sospechan que fue creada por un agujero negro supermasivo que amplifica las emisiones de otro cercano, lo que sugiere que la pareja puede fusionarse en los próximos 100,000 años. Si los dos están, de hecho, preparados para fusionarse, ofrecerían a los astrónomos una visión sin precedentes del proceso poco conocido de cómo los agujeros negros gigantes logran unirse.

El siguiente artículo lo presenta:

Galaxy NGC 6240. (NASA / ESA / Hubble Heritage Project / Hubble Collaboration / A. Evans).

De las innumerables galaxias que hemos visto en el cielo nocturno, NGC 6240 siempre se ha destacado por su forma peculiar y su inusual brillo infrarrojo. Se pensaba que era el resultado del choque de dos galaxias, hasta ahora.

En 1983 , los astrónomos informaron evidencia de un doble núcleo activo: dos agujeros negros supermasivos activos en el centro de NGC 6240. Ahora, por primera vez, los investigadores han encontrado evidencia de un tercer agujero negro supermasivo.

Este nuevo hallazgo sugiere que no dos, sino tres galaxias están en proceso de fusión, cada una de las cuales trae su propio núcleo galáctico de agujero negro supermasivo a la fiesta:

Algunos ejemplos notables de agujeros negros supermasivos.

El ejemplo más notable de un agujero negro supermasivo es el correspondiente a la galaxia elíptica M87, del cual el Telescopio de Horizonte de Evento logró la primer fotografía en la historia:

En el centro de Holmberg 15A, una galaxia elíptica supergigante en el cúmulo Abell 85, se descubrió un agujero negro de 40 mil millones de masas solares, el más masivo del Universo local. Según los autores de un estudio reciente, este enorme agujero negro es el resultado de una serie de fusiones galácticas, durante las cuales los sistemas binarios de agujeros negros supermasivos han «limpiado» el centro de la galaxia, arrojando miles de millones de estrellas. Su expulsión causó una reducción drástica en el brillo del núcleo galáctico:

Curiosidades:

La colisión futura entre la Vía Láctea y Andrómeda.

 Visualización científica de una simulación por computadora que muestra la inevitable colisión entre nuestra galaxia, la Vía Láctea y la galaxia de Andrómeda (también conocida como Messier 31). Más información.
Créditos: Visualización: Frank Summers ( STScI );
Simulación: Gurtina Besla (Universidad de Columbia) y Roeland van der Marel ( STScI).

La explicación del video puede verla en:

El siguiente video es una serie de ilustraciones fotográficas que muestra la fusión prevista entre nuestra galaxia, la Vía Láctea y la galaxia vecina de Andrómeda, ahora vista desde unos 25,000 años luz de distancia del centro de la Vía Láctea. La visión futura desde nuestro Sistema Solar será muy diferente, dependiendo de cómo cambie la órbita del Sol dentro de la galaxia durante la colisión. La secuencia está inspirada en el modelado dinámico por computadora de la inevitable colisión futura entre las dos galaxias:

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