¿Cómo se hicieron los agujeros negros tan grandes y rápidos? La respuesta está en la oscuridad.

La radiación de la materia oscura en el universo primitivo puede haber ayudado a mantener el gas hidrógeno lo suficientemente caliente como para condensarse en agujeros negros.

• Los agujeros negros supermasivos suelen tardar miles de millones de años en formarse. Pero Telescopio espacial James Webb ¿Se encuentran poco después? gran explosión – Antes de que hayan tenido tiempo suficiente para formarse.
• Universidad de California Los astrofísicos han descubierto que si la materia oscura se desintegra, los fotones que emite mantienen el gas hidrógeno lo suficientemente caliente como para que la gravedad pueda recogerlo en nubes gigantes y eventualmente condensarlo en una masa masiva. Agujero negro.
• Además de explicar la existencia de agujeros negros supermasivos muy tempranos, este descubrimiento respalda la existencia de un tipo de materia oscura capaz de descomponerse en partículas como fotones.

Formación de agujeros negros supermasivos

Se necesita mucho tiempo para que se formen los agujeros negros supermasivos, como el que se encuentra en el centro de nuestra galaxia. vía Láctea Normalmente, el nacimiento de un agujero negro requiere que una estrella gigante con una masa de al menos 50 masas solares se queme (un proceso que podría tardar mil millones de años) y su núcleo colapse sobre sí mismo.

Sin embargo, el agujero negro resultante, que tiene una masa de sólo unas 10 veces la del Sol, está muy lejos del agujero negro de 4 millones de masa solar conocido como Sagitario A*, que se encuentra en nuestra Vía Láctea. O agujeros negros supermasivos con una masa de mil millones de masas solares que existen en otras galaxias. Estos agujeros negros gigantes pueden formarse a partir de agujeros negros más pequeños mediante la acumulación de gas y estrellas y fusionándose con otros agujeros negros, lo que lleva miles de millones de años.

Secretos revelados por el telescopio espacial James Webb

Pero entonces, ¿por qué el Telescopio Espacial James Webb detecta agujeros negros supermasivos cerca del comienzo de los tiempos, miles de años antes de que pudieran haberse formado? Astrofísicos de la Universidad de California en Los Ángeles han encontrado una respuesta tan misteriosa como los propios agujeros negros: la materia oscura impidió que el hidrógeno se enfriara el tiempo suficiente para que la gravedad lo condensara en nubes lo suficientemente grandes y densas como para convertirse en agujeros negros en lugar de estrellas. . Los resultados fueron publicados el 27 de agosto en la revista Nature Communications. Cartas de revisión de materiales.

«Fue realmente sorprendente encontrar un agujero negro supermasivo con una masa de mil millones de masas solares cuando el universo mismo tiene sólo 500 millones de años», dijo Alexander Kosenko, profesor de física y astronomía en la Universidad de California en Los Ángeles. y autor principal del estudio: “Es como encontrar un automóvil moderno entre huesos de dinosaurio y preguntarse quién construyó ese automóvil en tiempos prehistóricos”.

El desafío de la refrigeración de gas en el espacio

Algunos astrofísicos han planteado la hipótesis de que una enorme nube de gas podría colapsar para formar directamente un agujero negro supermasivo, evitando la larga historia de quema, acreción y fusión de estrellas. Pero hay un problema: la gravedad juntará una enorme nube de gas, pero no hasta convertirla en una sola. En cambio, recoge trozos de gas en pequeños halos que flotan muy juntos pero que no forman un agujero negro.

La razón es que la nube de gas se enfría muy rápidamente. Mientras el gas esté caliente, su presión es capaz de resistir la gravedad. Pero si el gas se enfría, la presión cae y la gravedad puede prevalecer en muchas regiones pequeñas, que colapsan en objetos densos antes de que la gravedad tenga la oportunidad de arrastrar toda la nube hacia un solo agujero negro.

«La velocidad de enfriamiento de un gas tiene mucho que ver con la cantidad de hidrógeno molecular», dijo el primer autor y estudiante de doctorado Yifan Lu. “Los átomos de hidrógeno unidos en una molécula disipan energía cuando se encuentran con un átomo de hidrógeno suelto maíz«Las moléculas de hidrógeno se convierten en agentes refrigerantes porque absorben energía térmica y la irradian. Las nubes de hidrógeno en el universo primitivo contenían una gran cantidad de hidrógeno molecular, y el gas se enfriaba rápidamente y formaba pequeños halos en lugar de grandes nubes».

Lu y el investigador postdoctoral Zachary Becker escribieron un código para calcular todos los procesos posibles para este escenario y descubrieron que la radiación adicional podría calentar el gas y separar las moléculas de hidrógeno, cambiando la forma en que el gas se enfría.

«Si se añade radiación en un determinado rango de energía, se destruye el hidrógeno molecular y se crean condiciones que impiden la ruptura de grandes nubes», añadió Lu.

El papel de la materia oscura en la formación de agujeros negros

¿Pero de dónde viene la radiación?

Una pequeña fracción de la materia del universo es la que forma nuestros cuerpos, nuestro planeta, las estrellas y todo lo que podemos observar. De hecho, la gran mayoría de la materia, que se puede observar a través de sus efectos gravitacionales sobre los cuerpos estelares y a través de la curvatura de los rayos de luz provenientes de fuentes distantes, está compuesta por algunas partículas nuevas que los científicos aún no han podido identificar.

Las formas y propiedades de la materia oscura son un misterio que aún está por resolver. Aunque no sabemos qué es la materia oscura, los científicos de partículas han imaginado durante mucho tiempo que podría contener partículas inestables que pueden descomponerse en fotones, las partículas de luz. La inclusión de materia oscura en la simulación proporcionó la radiación necesaria para que el gas sobreviviera en una gran nube mientras colapsaba en un agujero negro.

La materia oscura puede estar formada por partículas que se desintegran lentamente o puede estar formada por más de una partícula. ClasificarAlgunos son estables y otros se descomponen temprano. En cualquier caso, el producto de la desintegración puede ser radiación en forma de fotones, que descomponen el hidrógeno molecular e impiden que las nubes de hidrógeno se enfríen demasiado rápido. Incluso una desintegración muy leve de la materia oscura produce suficiente radiación para evitar el enfriamiento, la formación de grandes nubes y, finalmente, agujeros negros supermasivos.

«Esta puede ser la respuesta a por qué los agujeros negros supermasivos se detectaron tan temprano», dijo Becker. «Si eres optimista, también puedes leer esto como evidencia positiva de un tipo de materia oscura. Si estos agujeros negros supermasivos se formaron así». como resultado del colapso de una nube de gas, tal vez deberían… La radiación adicional requerida vendría de la física desconocida del sector oscuro”.

Referencia: “Colapso directo de agujeros negros supermasivos por desintegración de partículas residuales” por Yifan Lu, Zachary S.C. Baker y Alexander Kosenko, 27 de agosto de 2024, Cartas de revisión de materiales.
doi: 10.1103/PhysRevLett.133.091001