La luce rilasciata dai primi enormi buchi neri dell'universo è così intensa che è in grado di raggiungere i telescopi attraverso l'intera distesa dell'universo. Incredibilmente, la luce dei buchi neri più lontani (o dei quasar) ci sta viaggiando da oltre 13 miliardi di anni luce. Tuttavia, non sappiamo come si sono formati questi mostri buchi neri.
Una nuova ricerca condotta da ricercatori del Georgia Institute of Technology, della Dublin City University , della Michigan State University , della University of California a San Diego , del San Diego Supercomputer Centere IBM fornisce una nuova ed estremamente promettente strada per risolvere questo indovinello cosmico. Il team ha dimostrato che quando le galassie si riuniscono estremamente rapidamente - e talvolta violentemente - ciò può portare alla formazione di buchi neri molto massicci. In queste rare galassie, la normale formazione stellare viene interrotta e la formazione del buco nero prende il sopravvento.
Il nuovo studio scopre che enormi buchi neri si formano in dense regioni senza stelle che stanno crescendo rapidamente, capovolgendo la credenza ormai accettata che la massiccia formazione del buco nero era limitata alle regioni bombardate dalla potente radiazione delle galassie vicine. Le conclusioni dello studio basato sulla simulazione, riportato il 23 gennaio sulla rivista Nature e supportato dai finanziamenti della National Science Foundation, dell'Unione Europea e della NASA, hanno anche rilevato che enormi buchi neri sono molto più comuni nell'universo di quanto si pensasse in precedenza.
I criteri chiave per determinare dove massicci buchi neri si sono formati durante l'infanzia dell'universo si riferiscono alla rapida crescita di nubi di gas pre-galattiche che sono i precursori di tutte le galassie odierne, il che significa che la maggior parte dei buchi neri supermassicci ha un'origine comune scenario scoperto, ha detto John Wise Center for Relativistic Astrophysics in Georgia Tech's School of Physics e autore del paper corrispondente. La materia oscura collassa in aloni che sono la colla gravitazionale per tutte le galassie. La rapida crescita rapida di questi aloni preveniva la formazione di stelle che sarebbero state in competizione con i buchi neri per la materia gassosa che scorreva nell'area., un professore associato nel
"In questo studio, abbiamo scoperto un meccanismo totalmente nuovo che scatena la formazione di enormi buchi neri in particolari aloni di materia oscura", ha detto Wise. "Invece di considerare solo le radiazioni, dobbiamo guardare con quanta rapidità crescono gli aloni. Non abbiamo bisogno di molta fisica per capirlo - solo come viene distribuita la materia oscura e in che modo la gravità lo influenzerà. Formare un enorme buco nero richiede di essere in una regione rara con un'intensa convergenza di materia. "
Quando il team di ricerca ha individuato questi siti di formazione di buchi neri nella simulazione, questi sono stati inizialmente rimossi, ha dichiarato John Regan, ricercatore presso il Center for Astrophysics and Relativity della Dublin City University. Il paradigma precedentemente accettato era che i massicci buchi neri potevano formarsi solo se esposti a livelli elevati di radiazioni vicine.
"Le teorie precedenti suggerivano che ciò dovesse accadere solo quando i siti fossero esposti a livelli elevati di radiazioni che uccidevano le stelle", ha detto. "Come abbiamo approfondito, abbiamo visto che questi siti stavano attraversando un periodo di crescita estremamente rapida. Questa era la chiave. La natura violenta e turbolenta dell'assemblea rapida , il violento crollo delle fondamenta della galassia durante la nascita della galassia impedirono la normale formazione stellare e portarono invece a condizioni perfette per la formazione del buco nero. Questa ricerca sposta il paradigma precedente e apre una nuova area di ricerca ".
La precedente teoria si basava su intense radiazioni ultraviolette provenienti da una galassia vicina per inibire la formazione di stelle nell'alone nero che formava buche, ha detto Michael Norman, direttore del San Diego Supercomputer Center di UC San Diego e uno degli autori del lavoro. "Mentre la radiazione UV è ancora un fattore, il nostro lavoro ha dimostrato che non è il fattore dominante, almeno nelle nostre simulazioni", ha spiegato.
La ricerca si è basata sulla suite Renaissance Simulation, un set di dati di 70 terabyte creato sul supercomputer Blue Waters tra il 2011 e il 2014 per aiutare gli scienziati a capire come l'universo si è evoluto durante i suoi primi anni. Per saperne di più su regioni specifiche in cui è probabile che si sviluppassero enormi buchi neri, i ricercatori hanno esaminato i dati di simulazione e trovato dieci aloni specifici della materia oscura che avrebbero dovuto formare stelle date le loro masse ma contenevano solo una densa nube di gas. Usando il supercomputer Stampede2, hanno poi simulato nuovamente due di quegli aloni - ognuno di circa 2.400 anni luce - con una risoluzione molto più alta per comprendere i dettagli di ciò che stava accadendo in essi 270 milioni di anni dopo il Big Bang.
"E 'stato solo in queste regioni troppo densamente dell'universo che abbiamo visto questi buchi neri formare", ha detto Wise. "La materia oscura crea la maggior parte della gravità, e quindi il gas cade in quel potenziale gravitazionale, dove può formare stelle o un enorme buco nero."
Le simulazioni rinascimentali sono le simulazioni più complete delle prime fasi dell'assemblaggio gravitazionale del gas pristino composto da idrogeno ed elio e materia oscura fredda che porta alla formazione delle prime stelle e galassie. Usano una tecnica nota come raffinamento adattivo delle maglie per ingrandire i gruppi densi che formano stelle o buchi neri. Inoltre, coprono una regione abbastanza ampia dell'universo primordiale per formare migliaia di oggetti, un requisito se uno è interessato a oggetti rari, come nel caso qui. "L'alta risoluzione, la ricca fisica e l'ampio campione di aloni collassanti erano tutti necessari per raggiungere questo risultato", ha affermato Norman.
La migliorata risoluzione della simulazione fatta per due regioni candidate ha permesso agli scienziati di vedere la turbolenza e l'afflusso di gas e grumi di materia che si formano quando i precursori del buco nero hanno iniziato a condensare e girare. Il loro tasso di crescita era drammatico.
"Gli astronomi osservano i buchi neri supermassicci che sono cresciuti fino a un miliardo di masse solari in 800 milioni di anni", ha detto Wise. "Ciò richiedeva un'intensa convergenza di massa in quella regione. Ci si aspetterebbe che nelle regioni in cui le galassie si stavano formando nelle primissime ore ".
Un altro aspetto della ricerca è che gli aloni che danno vita a buchi neri possono essere più comuni di quanto si credesse in precedenza.
"Una componente interessante di questo lavoro è la scoperta che questi tipi di aloni, anche se rari, possono essere abbastanza comuni", ha dichiarato Brian O'Shea, professore alla Michigan State University. "Prevediamo che questo scenario potrebbe accadere abbastanza da essere l'origine dei più grandi buchi neri che si osservano, sia all'inizio dell'universo che nelle galassie ai giorni nostri".
Il lavoro futuro con queste simulazioni esaminerà il ciclo di vita di queste enormi galassie di formazione del buco nero, studiando la formazione, la crescita e l'evoluzione dei primi enormi buchi neri nel tempo. "Il nostro prossimo obiettivo è sondare l'ulteriore evoluzione di questi oggetti esotici. Dove sono questi buchi neri oggi? Possiamo rilevare prove di loro nell'universo locale o con onde gravitazionali? "Chiese Regan.
Per queste nuove risposte, il team di ricerca - e altri - possono tornare alle simulazioni.
"Le simulazioni rinascimentali sono sufficientemente ricche che altre scoperte possono essere fatte usando dati già calcolati", ha detto Norman. "Per questo motivo abbiamo creato un archivio pubblico presso la SDSC contenente il Laboratorio di Simulazioni del Rinascimento, dove altri possono portare avanti le loro domande".
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