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Los agujeros negros primordiales podrían haber causado la formación de agujeros negros supermasivos

Los primeros momentos del universo fueron turbulentos y llenos de materia caliente y densa. Las fluctuaciones en el universo primitivo habrían sido lo suficientemente grandes como para que bolsas de materia de masa estelar colapsaran por su propio peso para formar agujeros negros primordiales. Aunque nunca descubrimos estos pequeños agujeros negros, podrían haber jugado un papel vital en la evolución cósmica, tal vez incluso convirtiéndose en los agujeros negros supermasivos que vemos hoy. Un nuevo estudio muestra cómo podría funcionar esto, pero también encontró que el proceso es complejo.

Un modelo común para los agujeros negros primordiales es que fueron las semillas de galaxias y estrellas. Incluso un pequeño agujero negro podría atraer materia hacia él, formando una nebulosa galáctica, y el gas más denso alrededor del agujero negro conduciría a la formación de estrellas tempranas. Esto explicaría por qué las galaxias se formaron temprano en el universo, así como por qué la mayoría de las galaxias contienen un agujero negro supermasivo.

Algunos argumentan que las semillas de los agujeros negros primordiales juegan un papel esencial en la formación de las primeras galaxias. Sin agujeros negros para desencadenar el proceso, las galaxias no se habrían formado antes. Para considerar esta pregunta, el equipo creó una simulación en una supercomputadora masiva conocida como Stampede2. A través de sus simulaciones, el equipo descubrió que los agujeros negros primordiales pueden fomentar la formación de galaxias y la producción de estrellas, pero también pueden obstaculizarla.

Los agujeros negros primordiales pueden haber atraído materia hacia ellos para estimular la formación de estrellas, pero la materia consumida por el agujero negro también calienta el gas cercano y lo aleja. Entonces resulta que los agujeros negros primordiales tienen un efecto de toma y daca. La gravedad atrae materia hacia las nubes galácticas, pero también calienta la región central e impide la producción de estrellas. Entonces, los agujeros negros primordiales no juegan un papel decisivo. Los efectos de la siembra y el calentamiento casi se anulan entre sí. Los cambios más pequeños en las condiciones iniciales pueden determinar si un agujero negro primordial ayuda o dificulta la formación de galaxias tempranas.

Las simulaciones muestran cómo un número variable de agujeros negros primordiales afecta la formación de galaxias. Crédito: Liu et al.

Por supuesto, las cosas pueden cambiar drásticamente con la introducción de la materia oscura. La materia oscura es atraída al agujero negro por la gravedad, pero no calienta la materia cercana como lo hace la materia normal. Los agujeros negros primordiales y la materia oscura habrían trabajado juntos de tal manera que se habría superado cualquier calentamiento de los agujeros negros primordiales. De ser así, la interacción de la materia oscura y los agujeros negros primordiales podría estar provocando la formación de ondas gravitacionales. Estas ondas son demasiado débiles para detectarlas ahora, pero los futuros telescopios de ondas gravitacionales podrían hacerlo.

Esta simulación detallada muestra la sutileza y complejidad del papel de los agujeros negros primordiales. A medida que el equipo avanza hacia la creación de simulaciones más detalladas, esperan ver cómo la materia oscura, los agujeros negros primordiales y la producción de estrellas pueden conducir a la formación de agujeros negros supermasivos. Con el tiempo, es posible que puedan decirnos cómo las cosas grandes como esta tienen pequeños comienzos.

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Referencia: Liu, Boyuan, Saiyang Zhang y Volker Bromm. «Efectos de los agujeros negros primordiales de masa estelar en la formación de la primera estrella. » Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society 514.2 (2022): 2376–2396.