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La conexión entre los agujeros negros y el Big Bang: ¿Por qué el colapso de un agujero negro puede cambiar nuestra comprensión del universo?
En el universo temprano, los agujeros negros de colapso directo (DCBH) pueden haber sido un origen clave de los agujeros negros supermasivos. Estas semillas de agujeros negros de gran masa se forman por el colapso directo de grandes cantidades de materia y se especula que se formaron en el rango de corrimiento al rojo z = 15 a 30, cuando el universo tenía entre 100 y 250 millones de años. A diferencia de las semillas de agujeros negros que se forman a partir de la primera generación de estrellas (la llamada generación de estrellas de población tres), estos agujeros negros de colapso directo se forman a través de inestabilidades relativistas generales directas. Su masa típica puede alcanzar aproximadamente 105 M☉. Esta clase de semillas de agujero negro se propuso por primera vez teóricamente para resolver el desafío de la existencia de agujeros negros supermasivos en el corrimiento al rojo z~7, lo que ha sido confirmado por muchas observaciones.
Los agujeros negros de colapso vertical se forman a través de una combinación única de condiciones físicas ambientales que rara vez se cumplen simultáneamente.
Mecanismo de formación
La formación de un agujero negro de colapso directo implica varias condiciones ambientales clave que promueven el colapso directo del gas en lugar de la formación de un cúmulo de estrellas. En primer lugar, el gas debe estar libre de metal (es decir, contener solo hidrógeno y helio), en segundo lugar, debe tener un efecto de enfriamiento atómico y, finalmente, debe haber un flujo de fotones Lyman-Wierth de suficiente intensidad para destruir las moléculas de hidrógeno, que Son refrigerantes de gas muy eficaces. Si no se puede interrumpir el proceso de enfriamiento de estos gases, la nube de gas sufrirá un colapso gravitacional y alcanzará una densidad de masa extremadamente alta de aproximadamente 107 g/cm³. A estas densidades, los objetos experimentarán inestabilidades relativistas generales, lo que conducirá a la formación de agujeros negros con masas típicamente de hasta 105 M☉, o incluso tan altas como 1 millón de M☉.
Estos objetos colapsan directamente desde las nubes de gas primordiales, sin pasar por una etapa estelar intermedia, y por eso se denominan agujeros negros de colapso directo.
Una reciente simulación por computadora informa que poderosos flujos de acreción fríos en concentraciones raras pueden formar estas semillas de agujeros negros sin la necesidad de un fondo ultravioleta o flujos supersónicos, o incluso enfriamiento atómico. En esta simulación, no fue hasta que la masa bariónica creció a 40 millones de masas solares que la gravedad finalmente superó la turbulencia y la estrella simplemente colapsó para formar dos estrellas supermasivas, que eventualmente se convirtieron en agujeros negros de colapso directo con masas de 31.000 y 2.000, respectivamente. . y 40.000 M☉.
Número de agujeros negros colapsados verticalmenteA pesar del importante valor teórico de los agujeros negros de colapso directo, los científicos generalmente creen que son relativamente raros en el universo de alto corrimiento al rojo porque es muy difícil cumplir simultáneamente las tres condiciones básicas requeridas para su generación. Las simulaciones cosmológicas actuales predicen que en un corrimiento al rojo de 15 hay, en promedio, solo un agujero negro de colapso directo por gigapascal cúbico. Dependiendo de diferentes suposiciones, el número predicho de agujeros negros de colapso directo podría ser tan alto como 107 por gigapascal cúbico, pero esto requeriría un flujo de fotones Lyman-Wierth extremadamente alto.
Esto también genera expectativas para futuras observaciones, especialmente las observaciones del telescopio espacial Zhang Xianwang, que serán claves.
Detección y descubrimiento
En 2016, un equipo dirigido por el astrofísico de la Universidad de Harvard Fabio Pacucci utilizó datos del telescopio espacial Hubble y del observatorio de rayos X Chandra para identificar por primera vez dos colapsos verticales. Candidatos a agujero negro, los valores z del corrimiento al rojo de Estos dos candidatos son ambos mayores que 6 y son consistentes con las características espectrales de este tipo de cuerpo celeste. Se predice que estas fuentes tendrán un exceso significativo de emisión infrarroja en comparación con otras fuentes con desplazamientos al rojo más altos. Las observaciones futuras serán clave para determinar las propiedades de estos candidatos a agujeros negros.
Diferencias con otros agujeros negros
Cabe señalar que los agujeros negros primordiales se forman debido a una caída repentina y directa de energía, materia ionizada o ambas, mientras que los agujeros negros de colapso directo se forman debido al colapso directo de nubes de gas densas y grandes. Además, los agujeros negros formados por estrellas de tercera generación no se clasifican como agujeros negros de colapso "directo".
El descubrimiento de agujeros negros de colapso vertical proporciona sin duda una nueva perspectiva para estudiar la estructura de las galaxias y la formación de agujeros negros en el universo temprano, lo que conducirá a una reflexión más profunda: ¿Qué otras incógnitas se esconden en el universo durante la formación de agujeros negros de colapso vertical? ¿Agujeros? ¿Cómo resolver el misterio?La existencia de agujeros negros de colapso vertical no sólo explica la formación de agujeros negros en el universo temprano, sino que también cuestiona nuestra comprensión de la evolución del universo.
