Un estudio del Observatorio Astronómico Nacional de Japón ha encontrado cómo se forman los agujeros negros supermasivos, y explica por qué son tan abundantes en el cosmos

Las simulaciones por ordenador realizadas por astrofísicos de la Universidad de Tohoku en Japón, han revelado una nueva teoría sobre el origen de los agujeros negros supermasivos.

En esta teoría, los precursores de los agujeros negros supermasivos crecen al ingerir no sólo gas interestelar, sino también estrellas más pequeñas. Esto ayuda a explicar el gran número de agujeros negros supermasivos observados hoy en día.

Esta simulación muestra de un modo impresionante el nacimiento de un agujero negrosupermasivo


Casi todas las galaxias del Universo moderno tienen un agujero negro supermasivo en su centro. Sus masas a veces pueden alcanzar hasta 10.000 millones de veces la masa del Sol. Sin embargo, su origen sigue siendo uno de los grandes misterios de la astronomía.

Una teoría popular es el modelo de colapso directo, según el cual las nubes primordiales de gas interestelar colapsan en autogravedad para formar estrellas supermasivas que luego evolucionan en agujeros negros supermasivos.

Han utilizado la supercomputadora japonesa ATERUI II  del Observatorio Astronómico Nacional, para realizar simulaciones de alta resolución en 3D

Estudios anteriores han demostrado que el colapso directo de una estrella supermasiva sólo funciona con gas prístino, que consiste sólo en hidrógeno y helio. Los elementos más pesados como el carbono y el oxígeno cambian la dinámica del gas, haciendo que al colapsar se fragmente en muchas nubes más pequeñas que forman estrellas pequeñas propias, en lugar de unas pocas estrellas supermasivas. Así, el colapso directo del gas prístino por sí solo no puede explicar el gran número de agujeros negros supermasivos que se ven hoy en día.

Sunmyon Chon, investigador de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia  de la Universidad Tohoku, ha utilizado la supercomputadora japonesa ATERUI II  del Observatorio Astronómico Nacional, para realizar simulaciones de alta resolución en 3D. Han conseguido probar la posibilidad de que se formen estrellas supermasivas incluso en gas enriquecido con elementos pesados.

Han simulado cómo se forman estrellas supermasivas dentro de una nube de gas

Ver como se produce la formación de estrellas en nubes de gas que incluyen elementos pesados ha sido difícil debido al costo computacional de simular la violenta división del gas, pero los avances en la potencia de cálculo, específicamente la alta velocidad de cálculo de «ATERUI II», puesta en marcha en 2018, permitió al equipo superar este desafío. Estas nuevas simulaciones permiten estudiar la formación de estrellas a partir de nubes de gas con más detalle.

Contrariamente a las predicciones anteriores, el equipo de investigación encontró que las estrellas supermasivas aún pueden formarse a partir de nubes de gas enriquecidas con elementos pesados.

Las estrellas más pequeñas (de 10 masas solares) son engullidas por las más grandes

Como se esperaba, la nube de gas se rompe violentamente y se forman muchas estrellas más pequeñas. Sin embargo, hay un fuerte flujo de gas hacia el centro de la nube; las estrellas más pequeñas son arrastradas por este flujo y son tragadas por las estrellas masivas del centro. Las simulaciones dieron como resultado la formación de una estrella  10.000 veces más masiva que el Sol. «Esta es la primera vez que mostramos la formación de un precursor de un agujero negro tan grande en nubes enriquecidas en elementos pesados. Creemos que la estrella gigante así formada continuará creciendo y será el origen de un agujero negro gigante», dice Chon.

Este nuevo modelo muestra que no sólo el gas primordial, sino también el gas que contiene elementos pesados puede formar estrellas gigantes, que son las semillas de los agujeros negros. «Nuestro nuevo modelo es capaz de explicar el origen de más agujeros negros que los estudios anteriores, y este resultado lleva a una comprensión unificada del origen de los agujeros negros supermasivos», dice Kazuyuki Omukai, un profesor de la Universidad de Tohoku.

Qué significa esta imagen

Simulación. Crédito Sunmyon Chon

Simulación. Crédito Sunmyon Chon

Es una instantánea  de las simulaciones que muestran la distribución de la materia en el Universo en el momento de la formación de los agujeros negros (arriba) y la distribución de la densidad de las nubes de gas productoras de agujeros negros (abajo). En el panel inferior, los puntos negros cerca del centro de la figura representan estrellas masivas, que se piensa que evolucionan en un agujero negro en el tiempo. Los puntos blancos representan estrellas que tienen menos de 10 masas solares y se formaron por la fragmentación de la nube de gas. Muchas de las estrellas más pequeñas se fusionan con las estrellas supermasivas en el centro, permitiendo que las estrellas masivas crezcan eficientemente.

La computadora japonesa más avanzada

Esta investigación utilizó el superordenador NAOJ ATERUI II (Cray XC50) para la simulación de la formación estelar masiva. ATERUI II funciona en el campus NAOJ Mizusawa (Oshu, Iwate) con un rendimiento máximo teórico de 3.087 Pflops

 

Información bibliográfica

«Formación de estrellas supermasivas a través de la acreción súper competitiva en nubes ligeramente enriquecidas con metal», Sunmyon Chon, Kazuyuki Omukai,