Los gigantescos agujeros negros supermasivos en el centro de aparentemente todas las galaxias se encuentran entre los objetos más fascinantes y extremos conocidos por la astronomía y la cosmología modernas. Con masas muy superiores a millones, y a vecesmiles de millonesel de nuestro Sol, es casi imposible comprender el tamaño extraordinario de estos leviatanes celestiales. Uno de los grandes misterios de la astrofísica moderna es responder cómo se originaron objetos tan enormes. en un presione soltar publicado el 10 de marzo, los investigadores proponen que los orígenes de los agujeros negros supermasivos pueden estar en estrellas de primera generación extintas hace mucho tiempo con masas muy por encima de las estrellas más masivas del Universo moderno. No solo proponen que existieron tales gigantes, sino que también sugieren que han encontrado una manera de detectar un subconjunto particular de estas estrellas. Este avance es gracias a nuestro viejo amigo, Teoría de la relatividad general de Einstein.
Las estrellas más masivas del Universo hoy pesan cerca de 150 masas solares . Se cree que las estrellas supermasivas primordiales que se cree que son el origen o la semilla de los agujeros negros supermasivosórdenes de magnitudmás masivo. ¡Estamos hablando en el rango de masa solar de 10,000-100,000! Cuando las estrellas entran en este régimen de masas, su comportamiento es marcadamente diferente al de las estrellas más modernas y modestamente masivas.
Un modelo que muestra el comportamiento de supernova predicho de una estrella supermasiva.Crédito Dr. Ke-Jung Chen, ASIAA
Cuando estas vastas estrellas se queman al final de sus vidas, la gravedad es tan fuerte que pueden colapsar directamente en un agujero negro sin las espectaculares explosiones de supernovas que asociamos con la muerte masiva de estrellas en la actualidad. Esto plantea un problema real a la hora de detectar estos eventos. Obviamente, los agujeros negros son oscuros, y sin una supernova característica brillante, estas estrellas extremas se volverían esencialmente indetectables. Tenga en cuenta que, dado que estas estrellas solo existieron por un corto tiempo durante las primeras etapas de formación de galaxias en el Universo joven. Solo podemos ver sus vecindarios mirando a miles de millones de años luz de distancia, y así miles de millones de años en el pasado.
Hablé con uno de los investigadores principales sobre la solución ingeniosa y relativista a este misterio aparentemente irresoluble. Dr. Ke-Jung Chen de Instituto Academia Sinica de Astronomía y Astrofísica en Taipei, Taiwán, comentó sobre un 'punto óptimo' en la masa de estas estrellas revelado por un modelo extenso.
Otro modelo de supernova que el Dr. Chen denominó la 'estrella del cerebro'. Crédito Crédito Dr. Ke-Jung Chen, ASIAA
'El modelo mostró que a unas 55.000 masas solares, había un comportamiento muy interesante debido a la relatividad general'. Chen explicó, '... porque Einstein dice que la energía detodo,fotones, gas, etc., contribuyen al campo de gravedad. La presión comienza a contribuir al campo gravitacional ... comienza una reacción nuclear violenta y luego libera una gran cantidad de energía y una explosión de supernova '.
El Dr. Chen continuó explicando que esto ocurre solo en el punto óptimo de 55.000 masas solares. Menos que eso y la contribución relativista es demasiado pequeña para causar estas reacciones nucleares violentas particulares. Más y la gravedad es tan extrema que todo termina dentro del agujero negro y todo lo que vemos es oscuridad. Con los miles de millones de galaxias en el borde del universo observable, es increíblemente probable que al menos algunas de estas supernovas de 55.000 masas solares de ricitos de oro sean detectables.
Otra pregunta que viene inmediatamente a la mente al considerar estos gigantes estelares primordiales: ¿Por qué no vemos estrellas de este tamaño en el Universo moderno?
Los agujeros negros supermasivos como el que se encuentra en el centro de la galaxia M87 (en la foto de arriba de las famosas observaciones del telescopio del horizonte de eventos de 2019) tienen millones o miles de millones de veces la masa del sol. Sus orígenes misteriosos pueden explicarse por estrellas supermasivas primordiales en el Universo temprano. Crédito: Event Horizon Telescope Collaboration
“Creemos que una estrella supermasiva solo puede formarse en el Universo temprano. Esto se debe a los metales, es decir, a elementos distintos del hidrógeno y el helio. En el Big Bang, solo tenemos hidrógeno y helio y una pequeña cantidad de litio. No tenemos carbono, oxígeno, elementos necesarios para hacer vida, etc. Debido a que esos elementos (metales) tienen un gran número atómico y muchos electrones en sus órbitas, pueden formar moléculas y compuestos. Esto enfriará el gas (circundante) de manera eficiente, lo que provocará el colapso y la formación de un cúmulo de estrellas '. Esencialmente, sin elementos pesados que conduzcan al enfriamiento local y la condensación de las nubes de gas, es más probable que un gran volumen de gas en el entorno predominantemente de hidrógeno y helio del Universo temprano colapse en una estrella supermasiva en lugar de una multitud de estrellas como vemos en los cúmulos abiertos del Universo moderno. Esta conversación también destaca un hábito divertido de los astrónomos que vuelve locos a algunos químicos, ¡que se refiere a todos los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio como metales!
Chen describió sus esperanzas de detectar las supernovas características de esas estrellas supermasivas cuya masa aterriza justo en el punto óptimo de 55.000 masas solares. “Estas observaciones son posibles, especialmente para las próximas Telescopio espacial James Webb . ' Si es así, las observaciones arrojarán luz sobre la naturaleza misma de la formación y evolución de las galaxias.
Concepto artístico del telescopio espacial James Webb Crédito: Adriana Manrique Gutierrez, animadora de la NASA
La naturaleza fundamental de los agujeros negros supermasivos puede estar relacionada con estas estrellas supermasivas. Las supernovas del punto óptimo pueden iluminar el camino hacia una nueva era de cosmología. El Dr. Chen está lleno de curiosidad y pasión por el descubrimiento y la exploración al describir su investigación. Es difícil no sentir la misma emoción, tanto por los fantásticos logros teóricos y de observación que nos han llevado aquí como por los descubrimientos masivos (juego de palabras) a la vuelta de la esquina.
Imagen principal: Los colores revelan interacciones complejas de abundancia de oxígeno que impulsan una supernova en una estrella de 55.000 masas solares. Crédito Dr. Ke-Jung Chen, ASIAA
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Documento de 2014 sobre la inestabilidad relativista general