Un consorcio internacional de astrónomos ha desentrañado con éxito los intrincados mecanismos de formación de los esquivos agujeros negros de masa intermedia. Podrían representar el vínculo entre sus parientes más pequeños, los agujeros negros estelares y los gigantes supermasivos que pueblan los centros de las galaxias.
Este logro se deriva del proyecto de simulación DRAGON-II liderado por el Instituto Científico Gran Sasso (GSSI), en Italia. Los científicos involucrados en este estudio calcularon las complejas interacciones de estrellas, agujeros negros estelares y procesos físicos dentro de densos cúmulos estelares, demostrando que en esos entornos pueden surgir agujeros negros de hasta unos pocos cientos de masas solares.
La búsqueda para localizar y comprender los orígenes de los agujeros negros de masa intermedia (IMBH) sigue siendo un enigma continuo. Si existen, pueden servir como vínculo entre dos extremos de los agujeros negros. En el extremo de baja masa, observamos agujeros negros estelares, restos de explosiones de supernovas de estrellas masivas al final de su vida.
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— Diario La Hora (@lahoragt) September 27, 2023
Por otro lado, encontramos agujeros negros en los centros de galaxias, millones o incluso miles de millones de veces más masivos que el sol. La formación y el crecimiento de estos objetos todavía representan un misterio fascinante para la astronomía moderna, principalmente debido a la falta de una prueba irrefutable que respalde la existencia de tales agujeros negros. Los astrónomos esperan encontrarlos en cúmulos estelares densos y poblados.
«Los agujeros negros de masa intermedia son difíciles de observar», explica en un comunicado Manuel Arca Sedda del GSSI y autor principal del artículo de investigación publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. «Los límites de observación actuales no nos permiten decir nada sobre la población de agujeros negros de masa intermedia con masas entre 1.000 y 10.000 masas solares, y también representan un dolor de cabeza para los científicos en cuanto a los posibles mecanismos que conducen a su formación».
Para superar esta desventaja, un equipo internacional liderado por Arca Sedda ha emprendido una innovadora serie de simulaciones numéricas de alta resolución de cúmulos estelares, conocidos como DRAGON-II base de datos del grupo. En este esfuerzo, los astrónomos descubrieron una vía potencial para la formación de agujeros negros de masa intermedia dentro de cúmulos estelares jóvenes, densamente poblados y masivos.
Estas innovadoras simulaciones tuvieron que calcular una secuencia de interacciones complejas entre estrellas simples y binarias normales, que provocaron colisiones y formaron estrellas cada vez más masivas que eventualmente evolucionaron hacia IMBH. En esa etapa, esos agujeros negros pueden continuar incorporando estrellas masivas y agujeros negros adicionales, lo que conducirá a un crecimiento hasta varios cientos de masas solares. Resulta que ningún camino conduce a un agujero negro de masa intermedia. En cambio, los astrónomos encuentran una gama compleja de interacciones y eventos de fusión.
Hasta un millón de estrellas poblaban los cúmulos estelares simulados, que exhiben una fracción de estrellas binarias que oscila entre el 10% y el 30%. «Los cúmulos simulados reflejan fielmente sus homólogos del mundo real observados en la Vía Láctea, las Nubes de Magallanes y varias galaxias dentro de nuestro universo local», señala Kamlah.
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Al rastrear el destino posterior de un agujero negro de masa intermedia en estas simulaciones, los astrónomos identificaron un período turbulento marcado por vigorosas interacciones con otras estrellas y agujeros negros estelares, que pueden conducir a su rápida expulsión de su grupo parental, generalmente en unos pocos cientos de millones de años.
Esta expulsión limita efectivamente el crecimiento adicional del agujero trasero. Los modelos computacionales revelan que, si bien las semillas de IMBH se originan naturalmente a partir de interacciones estelares energéticas dentro de cúmulos de estrellas, su tendencia a alcanzar masas mayores que unos pocos cientos de masas solares depende de la densidad o masividad excepcional del medio ambiente.
Sin embargo, un enigma científico fundamental sigue sin resolver: si los agujeros negros de masa intermedia sirven como el eslabón perdido entre sus contrapartes estelares más pequeñas y los colosales agujeros negros supermasivos. Esta pregunta sigue sin respuesta por ahora, pero el estudio abre el espacio para conjeturas informadas.
«Necesitamos dos ingredientes para una mejor clarificación», explica Arca Sedda, «uno o más procesos capaces de formar agujeros negros de masa intermedia y la posibilidad de mantenerlos en el entorno que los alberga». El estudio impone restricciones estrictas al primer ingrediente, presentando una descripción clara de qué procesos pueden contribuir a la formación de IMBH.
Considerar cúmulos más masivos que contengan más estrellas binarias puede ayudar a obtener el segundo ingrediente en el futuro, lo que, aunque plantea requisitos desafiantes para simulaciones posteriores.
