Pregúntele a Ethan No. 15: Los agujeros negros más grandes del universo
A medida que descendemos al abismo, aprendemos los tesoros de la vida. Donde tropieces allí encontrarás tu joya.
- Joseph Campbell
El lector pregunta:Observando quásares distantes vemos sus agujeros negros supermasivos que pesan 10 9 solares. ¿Cómo logran alcanzar este tamaño en tan poco tiempo?
Este problema es más complicado de lo que parece a primera vista. Necesitas comenzar con la astrofísica.
Es posible que ya sepa que las estrellas vienen en diferentes tamaños y colores, con diferentes vidas y masas, y que todas estas propiedades están relacionadas entre sí. Cuanto más grande es la estrella, más grande es su núcleo, en el cual, según los principios de la fusión nuclear, se quema su combustible. Esto significa que las estrellas más masivas se queman más intensamente, a temperaturas más altas, tienen un radio más grande y también se queman más rápido.
Si una estrella, como nuestro Sol, puede tomar más de diez mil millones de años para quemar todo su combustible en el núcleo, entonces las estrellas pueden ser decenas o incluso cientos de veces más masivas que nuestro Sol, y en lugar de miles de millones de años, pueden sintetizar todo el hidrógeno en el núcleo en helio en varios millones, y en algunos casos, incluso durante varios cientos de miles de años.
¿Qué le sucede al núcleo cuando quema su combustible? Cabe señalar que la energía liberada durante estas reacciones es lo único que mantiene el núcleo contra la enorme fuerza gravitacional, que trabaja constantemente para comprimir toda la materia en la estrella al menor volumen posible. Cuando estas reacciones de fusión se detienen, el núcleo se encoge rápidamente. La velocidad de compresión es importante porque si comprime la materia lentamente, la temperatura se mantendrá constante, pero aumentará la entropía; y si lo comprime rápidamente, la entropía será constante y la temperatura aumentará.
En el caso de estrellas masivas, un aumento en la temperatura significa que la estrella puede comenzar a sintetizar más y más elementos pesados, comenzando por helio, pasando por carbono, nitrógeno, oxígeno, neón, magnesio, silicio, azufre, y finalmente acercándose a hierro, níquel y cobalto. Tenga en cuenta que estos elementos se forman con un aumento en el número nuclear en 2, debido al hecho de que el helio se combina con los elementos existentes. Y cuando se llega al hierro, al níquel y al cobalto, los elementos más estables, la síntesis posterior se vuelve imposible y el núcleo explota hacia afuera, convirtiéndose en una supernova de tipo 2.Si esto no sucede en una estrella muy masiva, obtendrá el núcleo de una estrella de neutrones. Y si tomas una estrella más masiva, con un núcleo más pesado, entonces no resistirá la gravedad y creará un agujero negro dentro de sí misma. Es probable que una estrella de 15-20 veces el tamaño del Sol cree un agujero negro en el centro después de su muerte. Y las estrellas más masivas crearán agujeros negros más masivos. Puedes imaginar una gran cantidad de estrellas bastante masivas, de las cuales nacen agujeros negros que están en un espacio limitado. Y luego estos agujeros negros se combinan con el tiempo, o ambos agujeros negros se combinan y devoran la materia estelar e interestelar, lo que, según nuestras observaciones, también ocurre.
Desafortunadamente, esto no sucede tan rápido como para coincidir con nuestras observaciones. Verás, si una estrella se vuelve demasiado masiva, ¡no aparecerá un agujero negro dentro de ella! Si observamos estrellas con una masa de 130 solares, entonces el interior de las estrellas se calienta tanto y contienen tanta energía que las partículas de alta energía que aparecen allí pueden formar pares de materia-antimateria en forma de positrones y electrones. A primera vista, esto no es gran cosa, pero recuerda lo que sucede en los núcleos de estas estrellas: todo lo que evita que colapsen es la presión ejercida desde el interior por un estudio de fusión nuclear. Y cuando comienzan a aparecer pares de electrones y positrones, quedan excluidos de la radiación actual, lo que conduce a una disminución de la presión sobre el núcleo desde el interior.Tales cosas ya comienzan con estrellas que pesan desde 100 solares, pero si alcanzas una masa de 130 solares, la presión disminuye tanto que las estrellas comienzan a colapsar, ¡y muy rápidamente!
El núcleo se calienta y contiene una gran cantidad de positrones, que se aniquilan con materia ordinaria y producen radiación gamma, que calienta aún más el núcleo. Al final, obtienes algo tan enérgico que desgarra a toda la estrella de una manera muy brillante y hermosa. Entonces resulta una supernova de pares inestables. ¡Esto no solo destruye las capas externas de la estrella, sino también el núcleo mismo, y después de esta explosión no queda absolutamente nada!Incluso sin tener en cuenta los agujeros negros suficientemente grandes que se formaron rápidamente en nuestro Universo, aún podemos obtener agujeros negros supermasivos, como el que está en el centro de nuestra galaxia. Según las órbitas de las estrellas que orbitan a su alrededor, su masa es de varios millones de masas solares.
Pero de esta manera es imposible obtener agujeros negros que pesen miles de millones de masas solares, como el que se encuentra en la galaxia bastante distante Messier 87.
Lo que el lector pregunta son agujeros negros supermasivos que pesan alrededor de miles de millones de masas solares. Y aparecen con un gran desplazamiento al rojo, lo que sugiere que han sido muy grandes durante mucho tiempo.Podrías pensar que desde el principio ya había agujeros negros tan enormes en el Universo, pero esto no se corresponde con lo que sabemos sobre el universo joven por el poder espectral de la materia y por la radiación cósmica de fondo. De donde sea que vengan estos agujeros negros supermasivos, es poco probable que estuvieran aquí desde el principio, ¡pero ahora se pueden encontrar incluso en galaxias muy jóvenes!
Entonces, si las estrellas ordinarias no pueden producir tales agujeros negros, y el Universo no nació con ellas, entonces ¿de dónde vienen?Resulta que las estrellas pueden ser aún más masivas que las que ya hemos hablado. Y cuando alcanzan grandes masas, aparece una nueva esperanza. Volvamos a las primeras estrellas que se formaron en el Universo a partir de hidrógeno y helio prehistóricos, los gases que existían entonces, solo unos pocos millones de años después del Big Bang.
Hay mucha evidencia que indica que en ese momento las estrellas se formaron en grandes regiones, no como los cúmulos de estrellas actuales en nuestra galaxia que contienen varios cientos o miles de estrellas. Luego, los grandes cúmulos contenían millones o incluso más estrellas. Si observamos la región de formación estelar más cercana y más grande en la Nebulosa de la Tarántula ubicada en la Gran Nube de Magallanes, podemos entender lo que está sucediendo.
Esta región del espacio tiene 1000 años luz de diámetro. En su centro hay una gran área donde se forman nuevas estrellas: R136. Contiene nuevas estrellas, cuya masa total es de aproximadamente 450,000 masas solares. Este complejo está activo, allí se forman nuevas estrellas masivas. Y en el centro de la región central, puedes descubrir algo verdaderamente único: ¡la más masiva de todas las estrellas conocidas del universo!
La estrella más grande en el área es 265 veces más pesada que el sol, y este es un fenómeno muy notable. Recordemos que hablé sobre pares inestables de supernovas, y cómo destruyen estrellas que son más pesadas que 130 masas solares y no dejan agujeros negros atrás. Esta fórmula funciona hasta cierto momento, solo para estrellas cuya masa es más de 130 solares, pero menos de 250 solares. Y si la masa aumenta aún más, recibiremos radiación gamma de tal fuerza que se producirá una reacción fotonuclear, cuando los rayos gamma enfríen el interior de la estrella, destruyendo núcleos pesados y convirtiéndolos en luz.
Si una estrella tiene una masa de más de 250 masas solares, colapsará por completo en un agujero negro. Una estrella con una masa de 260 masas solares puede crear un agujero negro con una masa de 260 solares. Una estrella de 1000 masas solares creará un agujero negro con una masa de 1000 masas solares. Y dado que podemos hacer estrellas con grandes masas en nuestro rincón aislado del cosmos, podemos hacer estos objetos en un momento en que el Universo era joven. Y lo más probable es que hayamos hecho una cantidad bastante grande de estos objetos, y aún así se combinarán.Y si es posible crear un área donde se formó un agujero negro masivo de varios miles de masas solares solo unos pocos millones o decenas de millones de años después del Big Bang, entonces la rápida unificación y acreción de estas regiones donde se forman las estrellas, sugiere que estos primeros Los grandes agujeros negros se unirían entre sí de manera única. Después de un corto tiempo, formarían agujeros negros cada vez más grandes en los centros de estas regiones, que luego se convirtieron en las primeras galaxias gigantes del Universo.
Este crecimiento, que continúa en el tiempo, puede llevarnos fácilmente a estimaciones modestas de agujeros negros que pesan varios cientos de millones de soles que puede generar una galaxia del tamaño de la Vía Láctea. Es fácil imaginar que las galaxias más masivas y los efectos no lineales pueden aumentar las probables masas de agujeros negros a miles de millones de masas solares sin ningún problema. Y aunque no lo sabemos con certeza, pero hasta donde podemos juzgar por el conocimiento que tenemos, así es como aparecen los agujeros negros supermasivos.Source: https://habr.com/ru/post/es381865/
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