¿Qué alimentó a los primeros agujeros negros que permitieron su rápido crecimiento? Un nuevo descubrimiento realizado por investigadores de la Universidad Carnegie Mellon utilizando una combinación de simulaciones de supercomputadoras y la tecnología GigaPan Time Machine muestra que una dieta de "comida rápida" cósmica (corrientes delgadas de gas frío) fluyó sin control hacia el centro de los primeros agujeros negros, causando que sean "extragrandes" y crezcan más rápido que cualquier otra cosa en el Universo.
Cuando nuestro universo era joven, menos de mil millones de años después del Big Bang, las galaxias apenas comenzaban a formarse y crecer. Según teorías anteriores, los agujeros negros en ese momento deberían haber sido igualmente pequeños. Los datos del Sloan Digital Sky Survey han demostrado evidencia de lo contrario: los agujeros negros supermasivos existían desde 700 millones de años después del Big Bang.
“El Sloan Digital Sky Survey encontró agujeros negros supermasivos en menos de mil millones de años. Tenían el mismo tamaño que los agujeros negros más masivos de la actualidad, que tienen 13.600 millones de años ", dijo Tiziana Di Matteo, profesora asociada de física (Universidad Carnegie Mellon). “Fue un rompecabezas. ¿Por qué algunos agujeros negros se forman tan temprano cuando se necesita toda la edad del Universo para que otros alcancen la misma masa?
Los agujeros negros supermasivos son los agujeros negros más grandes que existen: pesan miles de millones de veces más que el Sol. La mayoría de los agujeros negros "normales" son solo unas 30 veces más masivos que el Sol. El mecanismo actualmente aceptado para la formación de agujeros negros supermasivos es a través de fusiones galácticas. Un problema con esta teoría y cómo se aplica a los primeros agujeros negros supermasivos es que en el Universo temprano, no había muchas galaxias, y estaban demasiado distantes entre sí para fusionarse.
Rupert Croft, profesor asociado de física (Universidad Carnegie Mellon) comentó: “Si escribes las ecuaciones de cómo se forman las galaxias y los agujeros negros, no parece posible que estas enormes masas puedan formarse tan temprano, pero miramos al cielo y allí están."
En un esfuerzo por comprender los procesos que formaron los primeros agujeros negros supermasivos, Di Matteo, Croft y Khandai crearon MassiveBlack, la simulación cosmológica más grande hasta la fecha. El propósito de MassiveBlack es simular con precisión los primeros mil millones de años de nuestro universo. Al describir MassiveBlack, Di Matteo comentó: “Esta simulación es realmente gigantesca. Es el más grande en términos de nivel de física y volumen real. Lo hicimos porque estábamos interesados en mirar cosas raras en el universo, como los primeros agujeros negros. Debido a que son tan raros, debes buscar en un gran volumen de espacio ”.
Croft y el equipo comenzaron las simulaciones utilizando modelos conocidos de cosmología basados en teorías y leyes de la física moderna. "No pusimos nada loco. No hay física mágica, no hay cosas extra. Es la misma física que forma galaxias en simulaciones del universo posterior ", dijo Croft. “Pero por arte de magia, aparecen estos primeros cuásares, tal como se había observado. No sabíamos que iban a aparecer. Fue increíble medir sus masas e ir ‘¡Guau! Estos son del tamaño exacto y se muestran exactamente en el momento correcto ". Es una historia de éxito para la teoría moderna de la cosmología".
Los datos de MassiveBlack se agregaron al proyecto GigaPan Time Machine. Al combinar los datos de MassiveBlack con el proyecto GigaPan Time Machine, los investigadores pudieron ver la simulación como si fuera una película, desplazándose fácilmente por el universo simulado a medida que se formaba. Cuando el equipo notó eventos que parecían interesantes, también pudieron acercarse para ver los eventos con mayor detalle de lo que podían ver en nuestro propio universo con telescopios terrestres o espaciales.
Cuando el equipo se acercó a la creación de los primeros agujeros negros supermasivos, vieron algo inesperado. Las observaciones normales muestran que cuando el gas frío fluye hacia un agujero negro se calienta por colisiones con otras moléculas de gas cercanas, luego se enfría antes de ingresar al agujero negro. Conocido como "calentamiento por choque", el proceso debería haber evitado que los primeros agujeros negros llegaran a las masas observadas. En cambio, el equipo observó delgadas corrientes de gas denso y frío que fluye a lo largo de "filamentos" vistos en encuestas a gran escala que revelan la estructura de nuestro universo. Los filamentos permitieron que el gas fluyera directamente al centro de los agujeros negros a una velocidad increíble, proporcionándoles comida fría y rápida. El consumo constante pero incontrolado proporcionó un mecanismo para que los agujeros negros crecieran a un ritmo mucho más rápido que sus galaxias anfitrionas.
Los hallazgos serán publicados en Astrophysical Journal Letters.
Si desea leer más, consulte los siguientes documentos (a través de Physics arXiv):
Imágenes de Terapixel de simulaciones cosmológicas
La Formación de Galaxias Hosting z ~ 6 Quasars
Los primeros agujeros negros en las simulaciones cosmológicas
Flujos fríos y los primeros cuásares
Obtenga más información sobre Gigapan y MassiveBlack en: http://gigapan.org/gigapans/76215/ y http://www.psc.edu/science/2011/supermassive/
Fuente: Comunicado de prensa de la Universidad Carnegie Mellon
