Hace aproximadamente medio siglo, los astrónomos se dieron cuenta de que la poderosa fuente de radio proveniente del centro de nuestra galaxia (Sagitario A*) era un agujero negro «monstruoso». Desde entonces, han descubierto que los agujeros negros supermasivos (SMBH) residen en el centro de la mayoría de las galaxias masivas. Esto conduce a lo que se conoce como núcleos galácticos activos (AGN) o cuásares, donde la región central de una galaxia es tan energética que eclipsa a todas las estrellas en su disco galáctico. En todo ese tiempo, los astrónomos se han preguntado cómo se originaron estos gigantes (que juegan un papel crucial en la evolución galáctica).
Los astrónomos sospechan que las semillas que formaron los SMBH se crearon a partir de nubes gigantes de polvo que colapsaron sin convertirse primero en estrellas, también conocidas como agujeros negros de colapso directo (DCBH). Sin embargo, el papel de los campos magnéticos en la formación de DCBH no está claro ya que ninguno de los estudios previos ha podido simular los períodos de acreción completos. Para investigar esto, un equipo internacional de astrónomos realizó una serie de simulaciones cosmológicas magnetohidrodinámicas (MHD) en 3D que explicaron la formación de DCBH y mostraron que los campos magnéticos crecen con los discos de acreción y los estabilizan con el tiempo.
La investigación fue dirigida por Muhammad A. Latif, profesor asistente de física en la Facultad de Ciencias de la Universidad de los Emiratos Árabes Unidos (UAEU). A él se unieron el profesor asociado Dominik R. G. Schleicher de la Universidad de Concepción en Chile y Sadegh Khochfar, presidente personal de Astrofísica Teórica en la Universidad de Edimburgo y el Observatorio Real. El artículo que describe sus hallazgos apareció recientemente en línea en el servidor de preimpresión arXiv y actualmente se está revisando para su publicación en The Astrophysical Journal.
Como indican en su artículo, los DCBH son semillas de agujeros negros de gran masa (típicamente alrededor de 1 millón de masas solares) que existieron en el universo primitivo, ca. 100 a 250 millones de años. Como sugiere su nombre, los DCBH se forman directamente a partir de nubes masivas de polvo y gas (debido a las inestabilidades predichas por la teoría general de la relatividad de Einstein). Esto los distingue de los agujeros negros que se originaron a partir de las primeras estrellas supermasivas (SMS), también conocidas como estrellas de Población III. Como le dijo el Dr. Latif a Universe Today por correo electrónico, los astrofísicos han sospechado durante mucho tiempo que podría ser así como se formaron los SMBH en el universo primitivo:
«Los DCBH son aproximadamente dos órdenes de magnitud más masivos (105 masa solar) que los agujeros negros de otros escenarios, como los agujeros negros de masa estelar (alrededor de 100 masa solar) o los agujeros negros que se forman a través de colisiones estelares (~1000 masa solar). Esto hace ellos principales candidatos, particularmente para los primeros SMBH observados dentro del primer Gyr después del Big Bang».
La existencia de SMBH se propuso originalmente para explicar la existencia de SMBH primordiales de alto corrimiento al rojo que existieron dentro de mil millones de años después del Big Bang. Pero como explican Latif y sus colegas, hubo inconsistencias entre lo que teóricamente predijeron los astrofísicos y lo que observaron los astrónomos. En particular, está el papel que jugaron los campos magnéticos en la acumulación de material con nubes de polvo primordiales, lo que eventualmente resultó en el colapso gravitacional y la formación de DCBH.
«El modelo estándar de la física no proporciona ninguna restricción sobre la fuerza del campo magnético inicial, y algunos modelos predicen pequeños campos B del orden de 10-20 G», dijo Latif. «Son muchos órdenes de magnitud más pequeños que los campos observados (alrededor de 1G). Por lo tanto, la comunidad científica pensó que su papel podría ser solo secundario».
Este misterio ha persistido porque los intentos anteriores de simular numéricamente la formación de DCBH han tenido un alcance limitado. Las simulaciones anteriores carecían del poder de cómputo para simular la duración total del proceso de acumulación, que se considera comparable a la vida útil esperada de los SMS: 1,6 millones de años. Gracias a los avances en supercomputación durante la última década, diferentes grupos de investigación han realizado simulaciones numéricas en la última década que muestran que los campos magnéticos se pueden amplificar en un corto período de tiempo.
Del mismo modo, cada vez hay más pruebas de que los campos magnéticos estaban presentes hace aproximadamente 13 mil millones de años, cuando se esperaba que se formaran los DCBH. Para abordar este misterio, Latif y sus colegas realizaron una serie de modelos cosmológicos magnetohidrodinámicos (MHD) en 3D que representaron una vida útil de 1,6 millones de años:
«Modelamos la acumulación en el grupo central que se forma en nuestra simulación, que es un representante de una protoestrella. Evolucionamos simulaciones de aproximadamente 1,6 millones de años, comparables con la vida útil esperada de los SMS, y calculamos cuánta masa se acumula en el grupo, lo que nos dice la tasa de acreción. Los trabajos anteriores desarrollaron la simulación solo por un corto tiempo hasta un kyr (1000 años), que es mucho más corto que la vida útil de los SMS (~ 2 millones de años). Por lo tanto, es importante saber si la acreción se puede sostener por mucho tiempo. suficiente, lo cual demostramos que es posible».
Sus hallazgos son consistentes con investigaciones previas de Latif y sus colegas (y otros grupos) que muestran cómo los campos magnéticos juegan un papel vital en la formación de estrellas masivas y agujeros negros. Estos estudios han demostrado cómo se amplifican los campos magnéticos (aumento de la masa de Jean) al acumular discos de gas y polvo. Estos campos son responsables de reducir la fragmentación y estabilizar los discos, lo que eventualmente permite que estos discos alcancen la masa necesaria (también conocida como masa Jean) para experimentar el colapso gravitatorio y formar estrellas supermasivas y agujeros negros.
«Campos magnéticos tan fuertes pueden incluso lanzar chorros y flujos de salida y también ayudar a transportar el momento angular, que se considera un obstáculo para la formación de estrellas», explicó Latif. «Por lo tanto, tendrán implicaciones importantes para la magnetización de los medios interestelares e intergalácticos (similar a lo que observamos en el universo local) y darán forma a la formación de galaxias de alto corrimiento al rojo, así como a la evolución de agujeros negros masivos».
Estos hallazgos también anticipan lo que los estudios futuros podrían revelar sobre los campos magnéticos y su papel en la formación y evolución de las primeras galaxias. En la próxima década y después, se espera que los astrónomos estudien los chorros y los flujos de salida de los primeros agujeros negros utilizando potentes observatorios de radio como el Square Kilometer Array (SKA) y el Very Large Array (ng-VLA) de próxima generación, que se espera que entrará en funcionamiento en 2027 y 2029 (respectivamente).
Con información de UniverseToday.com
