¿Cómo existen los agujeros negros supermasivos si no ha habido suficiente tiempo desde el comienzo del universo para que se vuelvan tan grandes?

Buena pregunta. De hecho, no sabemos cómo el Universo logró hacer agujeros negros supermasivos tempranos que podamos ver. Este es un problema muy interesante, con muchos astrofísicos trabajando en ello, incluido yo mismo.

Así que preparemos el escenario aquí.

Los datos: vemos agujeros negros que son mil millones de veces la masa del Sol en un momento en que el Universo tenía unos 800 millones de años.

The Theory, Part I: Sabemos cómo hacer agujeros negros con estrellas masivas. Pero esto tiene un límite de quizás 100 o unos cientos de veces la masa del Sol.

The Theory, Part II: Existe un límite teórico sobre la rapidez con que pueden crecer los agujeros negros, llamado Límite de Eddington. Por encima de esto, el agujero negro liberará tanta energía que detendrá su propio crecimiento.

Entonces, si juntas la Teoría Parte I y la Teoría Parte II, resulta que en 800 millones de años solo puedes hacer agujeros negros de unos pocos millones de masas solares, o tal vez unas pocas decenas de millones, pero no mil millones de masas solares. Mierda.

Entonces … una de dos cosas debe estar mal. Ya sea:

• Hay otra forma de producir agujeros negros que pueden dar masas mucho más grandes, tal vez cien mil masas solares. Esta es la hipótesis de la semilla masiva. Hay razones para creer que las condiciones especiales en el Universo temprano (particularmente el gas libre de metales) pueden producir semillas tan masivas, sin producir tales bestias hoy (ya que no las vemos).
• El límite de Eddington está mal. Esto es posible porque el límite de Eddington se calcula utilizando la simetría esférica. De hecho, las simulaciones de discos de acreción (que son discos, obviamente no simétricos esféricamente) muestran que la tasa de Eddington puede ser superada por factores sustanciales, suficientes para resolver el problema. Pero … ¿existen esas condiciones especiales en el Universo temprano? Eso es trabajo en progreso.

Estoy ligeramente a favor de la segunda hipótesis. Parece más plausible que una teoría de 50 años esté un poco equivocada que la idea de que hay alguna forma nueva y exótica de dar a luz agujeros negros enormemente masivos en el Universo temprano. Pero muchas personas inteligentes están trabajando en la segunda idea, y está ganando terreno.

Así que estad atentos, y esperamos tener una respuesta para ustedes en unos años. Por un lado, el telescopio espacial James Webb debería decidir este problema.

El universo tiene topografía. La estructura a gran escala del universo parece haber evolucionado a partir de la aleatoriedad cuántica del Big Bang. Lo que ahora está en la escala de miles de millones de años luz fue una vez en la escala de partículas fundamentales. La fluctuación cuántica de esta aleatoriedad temprana creó concentraciones de alta densidad, o valles del espacio-tiempo, donde la masa se congregó en lo que ahora son hojas , paredes y cúmulos que contienen miles de galaxias.

Estructura simulada a gran escala del universo, del Proyecto de simulación Millennium

Las concentraciones más densas de masa actuaron como semillas para la creación de galaxias. Vemos estas ‘semillas’ cuando observamos las vastas distancias del espacio y el tiempo en forma de quásares. Los cuásares son los agujeros negros supermasivos que formaron los núcleos de las primeras galaxias. Probablemente eran los mismos agujeros negros que forman los núcleos de nuestras galaxias hoy, pero había una diferencia. Eran extremadamente brillantes y extremadamente activos porque todavía estaban engullendo grandes cantidades de materia. Todavía no habían despejado su región local del espacio. Los núcleos galácticos de hoy son relativamente tranquilos porque la mayoría de las estrellas y la materia a su alrededor están en órbitas estables.

Uno de los cuásares más antiguos conocidos, cortesía de New Scientist “ New Quasar is the Oldest Yet ” (2007).

Los quásares más antiguos que conocemos tienen aproximadamente 13 mil millones de años, formados cuando el Universo no tenía más que unos pocos cientos de millones de años. Estos agujeros negros se formaron temprano, y probablemente se formaron porque las fluctuaciones cuánticas del Big Bang crearon concentraciones tan densas de materia que colapsaron casi de inmediato su espacio-tiempo local, actuando como los picos centrales de las islas de materia que ahora conocemos como galaxias. . Quizás el espacio-tiempo estaba tan deformado debido a las fluctuaciones cuánticas que estos agujeros negros supermasivos eran primordiales, creados con el Universo mismo.

Por lo tanto, los agujeros negros supermasivos no se formaron necesariamente a partir de estrellas, sino tal vez directamente de regiones primordiales concentradas de partículas, o tal vez se formaron a partir de densas concentraciones de estrellas que se fusionaron rápidamente. En cualquier caso, se formaron temprano, comportándose como las semillas de la estructura galáctica, que a su vez ha organizado la materia para permitir la acumulación de polvo y gas en estrellas como el Sol.

Si está hablando de los agujeros negros supermasivos SUPER: la forma en que se hacen tan grandes es mediante la combinación o fusión de agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias cuando se produce una colisión de galaxias.

Si está hablando de los agujeros negros supermasivos más pequeños y básicos en los centros de las galaxias: los astrónomos aún no están seguros de cómo se forman estos agujeros negros supermasivos. Los agujeros negros estelares resultan del colapso de estrellas masivas, y algunos han sugerido que se formen agujeros negros supermasivos a partir del colapso de nubes masivas de gas durante las primeras etapas de la formación de la galaxia.

Creo que la confusión puede estar sobre el uso de la palabra “ganancia”. Casi todas las galaxias contienen un smbfs, debido al colapso del material pregaláctico. Sin duda estaban allí cuando las primeras estrellas comenzaron a brillar. La acumulación de materia, una estrella a la vez, llevaría mucho tiempo.