Nunca una estrella: ¿se formaron directamente los agujeros negros supermasivos?

Los astrónomos ahora creen que hay un agujero negro supermasivo en el centro de casi todas las galaxias del Universo. Estos agujeros negros pueden tener millones o incluso cientos de millones de veces la masa del Sol. A diferencia de los agujeros negros de masa estelar, las versiones supermasivas podrían haberse formado de manera diferente, pasando de una nube de gas directamente a un agujero negro, omitiendo la etapa estelar por completo.

Desde su descubrimiento, los astrónomos aún no saben realmente cómo se desarrollaron los agujeros negros supermasivos. Pero ahí están, dentro de la mayoría de las galaxias. De hecho, las observaciones de cuásares muestran que los agujeros negros supermasivos estaban presentes en el Universo primitivo. Los cuásares son algunos de los objetos más brillantes del Universo y brillan por la radiación emitida por los agujeros negros supermasivos que consumen material activamente.

Una posibilidad es que estos monstruos tuvieran comienzos humildes, comenzando como una estrella masiva, convirtiéndose en supernova y luego convirtiéndose en un agujero negro. Es un proceso que los astrónomos entienden bastante bien. El problema con esta teoría es que estos primeros agujeros negros supermasivos deben haber estado creciendo constantemente desde el principio, a la tasa máxima predicha por la física. Y como vemos hoy, las galaxias pasan por etapas activas e inactivas dependiendo de cuándo su agujero negro esté consumiendo material.

Pero una segunda posibilidad es que estos agujeros negros se hayan formado directamente, reuniendo tanto material que pasaron por alto la etapa estelar por completo.

El Dr. Mitchell C. Begelman, profesor del Departamento de Ciencias Astrofísicas y Planetarias de la Universidad de Colorado, Boulder, publicó recientemente un artículo titulado ¿Se formaron agujeros negros supermasivos por colapso directo? Este artículo esboza esta teoría alternativa de formación de agujeros negros en el Universo primitivo.

Después del Big Bang, el Universo se enfrió lo suficiente como para que se formaran las primeras estrellas a partir del hidrógeno y el helio originales. Este era material puro, no contaminado por generaciones previas de estrellas. Los astrónomos han calculado que estas primeras estrellas, llamadas Población III, tendrían una tasa máxima en la que podrían juntar material para formar una estrella.

Pero, ¿y si hubiera mucho más gas alrededor? Mucho más allá de los límites que podría formar una estrella.

Con una estrella regular, el material entra relativamente despacio, creando una masa central. Con suficiente masa, la estrella se enciende, y esto crea una presión hacia afuera que evita que más material se compacte demasiado.

Pero el Dr. Begelman ha calculado que si la tasa de caída excede solo unas pocas décimas de masa solar por año, el núcleo estelar estaría tan estrechamente unido que la liberación de energía de la fusión nuclear no sería suficiente para evitar que el núcleo continúe. contrato. Nunca tendrías una estrella, simplemente pasarías de una nube de hidrógeno a una masa central fuertemente unida. Y luego un agujero negro.

La pregunta es, ¿sería posible juntar material tan rápido? Puede, si algo lo empuja… como la materia oscura. Según el Dr. Begelman, podría haber varias situaciones en las que una fuerza externa, como la gravedad de un gran halo de materia oscura, podría forzar el gas hacia un área central. De hecho, se ha calculado que el material cae en un agujero negro tan rápido, porque esa es la velocidad que se necesita para alimentar los cuásares. Pero la pregunta es, ¿funcionará esto si el agujero negro no está allí, o es realmente pequeño?

Una vez que hay unas pocas masas solares de gas acumulado, el núcleo comienza a encogerse bajo la atracción de su masa creciente. El objeto pasa por un breve período de fusión nuclear cuando alcanza las 100 masas solares, pero pasa por esta fase tan rápido que no tiene la oportunidad de expandirse nuevamente.

Finalmente, el objeto alcanza varios miles de masas solares y su temperatura ha subido a varios cientos de millones de grados. En este punto, la gravedad finalmente se hace cargo, colapsando el núcleo y convirtiendo el objeto en un agujero negro de 10-20 masas solares que luego comienza a consumir toda la masa a su alrededor.

A partir de este momento, el agujero negro puede atraer más material de manera eficiente, creciendo a los niveles máximos predichos por la física, y eventualmente acumulando millones de veces la masa del Sol. Si cae demasiado material, el agujero negro supermasivo bebé podría actuar como un mini-quásar (el Dr. Begelman lo ha llamado «cuasiestrella»), ardiendo con radiación a medida que el material que cae retrocede en los alrededores del agujero negro.

Y hay buenas noticias: estas cuasiestrellas podrían ser detectables por poderosos telescopios. Sin embargo, tendrían vidas muy cortas, de solo 100.000 años. Podrían ser marginalmente detectables por el próximo Telescopio espacial James Webb.

Fuente original: papel arxiv