Utilizando un nuevo modelo informático de formación de galaxias, los investigadores han demostrado que los agujeros negros en crecimiento liberan una explosión de energía que regula fundamentalmente la evolución de las galaxias y el crecimiento del agujero negro. El modelo explica por primera vez los fenómenos observados y promete ofrecer información más profunda sobre nuestra comprensión de la formación de galaxias y el papel de los agujeros negros a lo largo de la historia cósmica, según sus creadores. Publicado en la edición del 10 de febrero de Nature, los resultados fueron generados por la astrofísica de la Universidad Carnegie Mellon, Tiziana Di Matteo y sus colegas, mientras estaban en el Max Planck Institut fur Astrophysik en Alemania. Los colaboradores de Di Matteo incluyen a Volker Springel en el Instituto Max-Planck de Astrofísica y Lars Hernquist en la Universidad de Harvard.
"En los últimos años, los científicos han comenzado a apreciar que la masa total de estrellas en las galaxias de hoy corresponde directamente al tamaño del agujero negro de una galaxia, pero hasta ahora, nadie podía explicar esta relación observada", dijo Di Matteo, profesor asistente de física en Carnegie Mellon. "El uso de nuestras simulaciones nos ha dado una forma completamente nueva de explorar este problema".
¿La clave para los investigadores? El avance fue incorporar cálculos para la dinámica de los agujeros negros en un modelo computacional de formación de galaxias.
A medida que las galaxias se formaron en el universo primitivo, probablemente contenían pequeños agujeros negros en sus centros. En el escenario estándar de formación de galaxias, las galaxias crecen al unirse entre sí por la fuerza de la gravedad. En el proceso, los agujeros negros en su centro se fusionan y crecen rápidamente para alcanzar sus masas observadas de mil millones de veces la del Sol; por lo tanto, se llaman agujeros negros supermasivos. También en el momento de la fusión, la mayoría de las estrellas se forman a partir del gas disponible. Las galaxias de hoy y sus agujeros negros centrales deben ser el resultado de una serie de tales eventos.
Di Matteo y sus colegas simularon la colisión de dos galaxias nacientes y descubrieron que cuando las dos galaxias se unían, sus dos agujeros negros supermasivos se fusionaron e inicialmente consumieron el gas circundante. Pero esta actividad fue autolimitada. Cuando el agujero negro supermasivo de la galaxia remanente absorbió gas, alimentó un estado luminiscente llamado cuásar. El quásar energizó el gas circundante a un nivel tal que fue expulsado de la vecindad del agujero negro supermasivo hacia el exterior de la galaxia. Sin gas cercano, el agujero negro supermasivo de la galaxia no podría "comer" para sostenerse y quedó inactivo. Al mismo tiempo, el gas ya no estaba disponible para formar más estrellas.
"Hemos descubierto que la energía liberada por los agujeros negros durante una fase de cuásar impulsa un fuerte viento que evita que el material caiga en el agujero negro", dijo Springel. “Este proceso inhibe el crecimiento del agujero negro y cierra el cuásar, justo cuando la formación de estrellas se detiene dentro de una galaxia. Como resultado, la masa del agujero negro y la masa de las estrellas en una galaxia están estrechamente vinculadas. Nuestros resultados también explican por primera vez por qué la vida útil del cuásar es una fase tan corta en comparación con la vida de una galaxia ".
En sus simulaciones, Di Matteo, Springel y Hernquist descubrieron que los agujeros negros en las galaxias pequeñas autolimitan su crecimiento de manera más efectiva que en las galaxias más grandes. Una galaxia más pequeña contiene cantidades más pequeñas de gas para que una pequeña cantidad de energía del agujero negro pueda expulsar rápidamente este gas. En una galaxia grande, el agujero negro puede alcanzar un tamaño mayor antes de que su gas circundante se energice lo suficiente como para dejar de caer. Con su gas gastado rápidamente, las galaxias más pequeñas forman menos estrellas. Con una reserva de gas de mayor duración, las galaxias más grandes forman más estrellas. Estos hallazgos coinciden con la relación observada entre el tamaño del agujero negro y la masa total de estrellas en las galaxias.
"Nuestras simulaciones demuestran que la autorregulación puede explicar cuantitativamente los hechos observados asociados con los agujeros negros y las galaxias", dijo Hernquist, profesor y presidente de astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias de Harvard. "Proporciona una explicación del origen de la vida del cuásar y debería permitirnos comprender por qué los cuásares eran más abundantes en el universo primitivo que en la actualidad".
"Con estos cálculos, ahora vemos que los agujeros negros deben tener un enorme impacto en la forma en que se forman y evolucionan las galaxias", dijo Di Matteo. "Los éxitos obtenidos hasta ahora nos permitirán implementar estos modelos dentro de universos simulados más grandes, para que podamos entender cómo las grandes poblaciones de agujeros negros y galaxias se influyen entre sí en un contexto cosmológico".
El equipo realizó sus simulaciones con los amplios recursos informáticos del Centro de Computación Astrofísica Paralela en el Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica y en el Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft en Garching.
Fuente original: Comunicado de prensa del Instituto Max Planck
