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¿Han colapsado los agujeros negros supermasivos directamente de las gigantescas nubes de gas? Puede depender de campos magnéticos.

Hace casi 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, en los que la región central de la galaxia es tan activa que eclipsa a todas las estrellas de su disco galáctico. En todo ese tiempo, los astrónomos se han preguntado cómo se originó este gigante (que juega un papel importante en la evolución de las galaxias).

Los astrónomos creen que las semillas que formaron los SMBH surgieron de nubes gigantes de polvo que colapsaron sin convertirse en estrellas, es decir. Agujeros negros de colapso directo (DCBH). Sin embargo, el papel de los campos magnéticos en la formación de DCBH no quedó claro, ya que ninguno de los estudios anteriores pudo simular períodos completos de acumulación. a mi Mira estoun equipo internacional de astrónomos realizó una serie de simulaciones cosmológicas magnetohidrodinámicas (MHD) en 3D que fueron responsables de la formación de DCBH y mostraron que los campos magnéticos crecen con discos de acreción y se estabilizan con el tiempo.

La investigación fue dirigida por Mohamed Abdel Latif, profesor asistente de la Facultad de Ciencias de la Universidad de El Cairo. Universidad de los Emiratos Árabes Unidos (Universidad de los Emiratos Árabes Unidos). A él se unieron el Profesor Asociado Dominique RJ Schleicher de la Universidad de Concepción en Chile y Sadeq Khoshfar – Jefe Personal de Astrofísica Teórica en la Universidad de Edimburgo y Observatorio Real. El documento que describe sus hallazgos recientes apareció en línea Actualmente se encuentra en revisión para su publicación en Diario astrofísico.

Según estudios recientes, las primeras estrellas (la tercera comunidad) no fueron la única fuente de agujeros negros primordiales. Crédito de la imagen: Equipo científico de la NASA/WMAP

Como señalan en su artículo, los DCBH son semillas de agujeros negros de gran masa (generalmente alrededor de 1 millón de masas solares) que se encontraban en el universo primitivo: California. Desde hace 100 a 250 millones de años. Como su nombre lo indica, los DCBH se forman directamente a partir de enormes nubes de polvo y gas (debido a la inestabilidad predicha por la teoría general de la relatividad de Einstein). Esto los distingue de los agujeros negros que se originaron a partir de las estrellas supermasivas (SMS) más antiguas, también conocidas como tercera población estrellas. 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 el doble de grandes (10 ^ 5 masas solares) que los agujeros negros de otros escenarios, como los agujeros negros de masa estelar (alrededor de 100 masas solares) o los agujeros negros que se forman a través de colisiones estelares (alrededor de 1000 masas solares). Esto los convierte en los principales candidatos, particularmente para los primeros SMBH observados en el primer Gyr después del Big Bang».

La existencia de SMBH se propuso originalmente para explicar la existencia de SMBH primitivos 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 discrepancias entre lo que teóricamente predijeron los astrofísicos y lo que observaron los astrónomos. En particular, existe el papel que desempeñan los campos magnéticos en la acumulación de material con nubes de polvo primordiales, lo que eventualmente conduce al colapso gravitacional y la formación de DCBH.

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«El modelo estándar de física no proporciona ninguna restricción sobre la intensidad del campo magnético inicial, y algunos modelos predicen campos B pequeños del orden de 10^-20 G», dijo Latif. «Son aproximadamente mucho más pequeños que los campos observados (alrededor de 1G). Por lo tanto, la comunidad científica pensó que su papel podría ser menor».

Agujero negro M87
Esta vista del agujero negro supermasivo M87 en luz polarizada destaca la firma de los campos magnéticos. (crédito: Colaboración EHT)

Este rompecabezas persistió porque los intentos anteriores de simular numéricamente la formación de DCBH tenían un alcance limitado. Las simulaciones anteriores carecían de la potencia informática para simular la duración total del proceso de acumulación, que es comparable a la esperanza de vida de SMS: 1,6 millones de años. Gracias a los avances en supercomputación durante la última década, varios grupos de investigación han realizado simulaciones numéricas en la última década que han demostrado que los campos magnéticos se pueden amplificar en un período corto.

Del mismo modo, cada vez hay más pruebas de que los campos magnéticos han existido durante casi 13 mil millones de años cuando se esperaban los DCBH. Para abordar este rompecabezas, Latif y sus colegas ejecutaron una serie de modelos cosmológicos magnetohidrodinámicos (MHD) en 3D que tardaron 1,6 millones de años:

«Estamos modelando la acumulación en la masa central formada en nuestras simulaciones, que es un indicador de una protoestrella. Desarrollamos simulaciones para aproximadamente 1,6 millones de años, en comparación con la esperanza de vida de un SMS, y calculamos cuánta masa se acumula en la masa. , que nos dice la tasa de acumulación. El trabajo anterior desarrolló simulaciones solo para un período tan corto como kyr (1000 años), que es mucho más corto que la vida de SMS (alrededor de 2 millones de años). Por lo tanto, es importante saber si la acumulación puede durar lo suficiente, lo que mostramos 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 mostraron cómo se amplifican los campos magnéticos (aumentando la masa de Gann) mediante la acumulación de 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. bloque de enero) para experimentar con el colapso gravitacional y la formación de estrellas supermasivas y agujeros negros.

Una imagen compuesta de SKA que combina todos los elementos de Sudáfrica y Australia. Crédito: SKAO

«Campos magnéticos tan fuertes pueden disparar chorros y flujos y también ayudar a transferir el momento angular, que es un obstáculo para la formación de estrellas», explicó Latif. “Por lo tanto, tendrá implicaciones importantes para la magnetización de los medios interestelares e intergalácticos (similar a lo que observamos en el universo local) y la formación de galaxias altamente desplazadas hacia el rojo, así como la evolución de agujeros negros masivos.

Estos resultados también revisan lo que los estudios futuros pueden revelar sobre los campos magnéticos y su papel en la formación y evolución de las primeras galaxias. En la próxima década y más allá, se espera que los astrónomos estudien los chorros y los flujos de salida de los primeros agujeros negros utilizando potentes observatorios de radio como matriz de kilómetros cuadrados (SKA) y La matriz súper grande de próxima generación (ng-VLA), que se espera que esté operativo en 2027 y 2029 (respectivamente).

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Lectura profunda: arXiv