Solo milisegundos después del Big Bang del universo, reinó el caos. Los núcleos atómicos se fusionaron y se rompieron en un movimiento frenético y caliente. Se acumularon ondas de presión increíblemente fuertes y comprimieron la materia con tanta fuerza que se formaron agujeros negros, que los astrofísicos llaman agujeros negros primordiales.
¿Los agujeros negros primordiales ayudaron o dificultaron la formación de las primeras estrellas del universo, que finalmente nacieron unos 100 millones de años después?
Las simulaciones de supercomputadoras ayudaron a investigar esta pregunta cósmica, gracias a las simulaciones en la supercomputadora Stampede2 del Texas Advanced Computing Center (TACC), parte de la Universidad de Texas en Austin.
«Descubrimos que la imagen estándar de la formación de la primera estrella no cambia realmente con los agujeros negros primordiales», dijo Boyuan Liu, investigador postdoctoral de la Universidad de Cambridge. Liu es el autor principal de la investigación de astrofísica computacional publicada en agosto de 2022 en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.
En el universo primitivo, el modelo estándar de la astrofísica sostiene que los agujeros negros sembraron la formación de estructuras similares a halos en virtud de su atracción gravitacional, de forma análoga a cómo se forman las nubes al ser sembradas por partículas de polvo. Esta es una ventaja para la formación de estrellas, donde estas estructuras sirvieron como andamios que ayudaron a que la materia se fusionara en las primeras estrellas y galaxias.
Sin embargo, un agujero negro también provoca el calentamiento por el gas o los escombros que caen en él. Esto forma un disco de acreción caliente alrededor del agujero negro, que emite fotones energéticos que ionizan y calientan el gas circundante.
Y eso es un inconveniente para la formación de estrellas, ya que el gas necesita enfriarse para poder condensarse a una densidad lo suficientemente alta como para desencadenar una reacción nuclear, incendiando la estrella.
«Descubrimos que estos dos efectos, el calentamiento y la siembra de agujeros negros, casi se anulan entre sí y el impacto final es pequeño para la formación de estrellas», dijo Liu.
Dependiendo de qué efecto gane al otro, los agujeros negros primordiales pueden acelerar, retrasar o prevenir la formación de estrellas. «Es por eso que los agujeros negros primordiales pueden ser importantes», agregó.
Liu enfatizó que solo con simulaciones cosmológicas de última generación se puede comprender la interacción entre los dos efectos.
En cuanto a la importancia de los agujeros negros primordiales, la investigación también insinuó que interactúan con las primeras estrellas y producen ondas gravitacionales. «También pueden desencadenar la formación de agujeros negros supermasivos. Estos aspectos se investigarán en estudios de seguimiento», agregó Liu.
Para el estudio, Liu y sus colegas utilizaron simulaciones de zoom hidrodinámico cosmológico como su herramienta para esquemas numéricos de última generación de la hidrodinámica de la gravedad, la química y el enfriamiento en la formación de estructuras y la formación de estrellas tempranas.
«Un efecto clave de los agujeros negros primordiales es que son semillas de estructuras», dijo Liu. Su equipo construyó el modelo que implementó este proceso, además de incorporar el calentamiento de los agujeros negros primordiales.
Luego agregaron un modelo de subcuadrícula para la acumulación y retroalimentación de agujeros negros. El modelo calcula en cada paso de tiempo cómo un agujero negro acumula gas y también cómo calienta su entorno.
«Esto se basa en el entorno alrededor del agujero negro conocido en las simulaciones sobre la marcha», dijo Liu.
XSEDE otorgó asignaciones al equipo científico en el sistema Stampede2 de TACC.
«Los recursos de supercomputación en astrofísica computacional son absolutamente vitales», dijo el coautor del estudio Volker Bromm, profesor y presidente del Departamento de Astronomía de UT Austin.
Bromm explicó que en la astrofísica teórica, el paradigma dominante para comprender la formación y evolución de la estructura cósmica es utilizar simulaciones ab initio, que siguen el «libro de jugadas» del universo mismo: las ecuaciones rectoras de la física.
Las simulaciones utilizan datos de las condiciones iniciales del universo con alta precisión en función de las observaciones del fondo cósmico de microondas. Luego se configuran cajas de simulación que siguen la evolución cósmica paso a paso.
Pero los desafíos en la simulación computacional de la formación de estructuras radican en la forma en que las grandes escalas del universo (millones a miles de millones de años luz y miles de millones de años) se combinan con las escalas atómicas donde ocurre la química estelar.
«El microcosmos y el macrocosmos interactúan», dijo Bromm.
«Los recursos de TACC y XSEDE han sido absolutamente vitales para que podamos ampliar la frontera de la astrofísica computacional. Todos los que están en UT Austin (profesores, posdoctorados, estudiantes) se benefician del hecho de que tenemos un centro de supercomputación de primer nivel. I’ Estoy extremadamente agradecido», agregó Bromm.
«Si observamos una estructura típica que puede formar las primeras estrellas, necesitamos alrededor de un millón de elementos para resolver completamente este halo o estructura», dijo Liu. «Es por eso que necesitamos usar supercomputadoras en TACC».
Liu dijo que al usar Stampede2, una simulación que se ejecuta en 100 núcleos puede completarse en solo unas pocas horas en lugar de años en una computadora portátil, sin mencionar los cuellos de botella con la memoria y la lectura o escritura de datos.
«El plan de juego general con nuestro trabajo es que queremos comprender cómo se transformó el universo a partir de las simples condiciones iniciales del Big Bang», explicó Bromm.
Las estructuras que surgieron del Big Bang fueron impulsadas por la importancia dinámica de la materia oscura.
La naturaleza de la materia oscura sigue siendo uno de los mayores misterios de la ciencia.
Las pistas de esta sustancia hipotética pero no observable son innegables, vistas en las imposibles velocidades de rotación de las galaxias. La masa de todas las estrellas y planetas en galaxias como nuestra Vía Láctea no tiene suficiente gravedad para evitar que se separen. El ‘factor x’ se llama materia oscura, pero los laboratorios aún no lo han detectado directamente.
Sin embargo, se han detectado ondas gravitacionales, primero por LIGO en 2015.
«Es posible que los agujeros negros primordiales puedan explicar estos eventos de ondas gravitacionales que hemos estado detectando durante los últimos siete años», dijo Liu. «Esto simplemente nos motiva».
Dijo Bromm: «Las supercomputadoras están permitiendo nuevos conocimientos sin precedentes sobre cómo funciona el universo. El universo nos brinda entornos extremos que son extremadamente difíciles de entender. Esto también motiva a construir arquitecturas de computación cada vez más poderosas y diseñar mejores estructuras algorítmicas. Hay gran belleza y poder en beneficio de todos».
El estudio, «Efectos de los agujeros negros primordiales de masa estelar en la formación de la primera estrella», se publicó en agosto de 2022 en la Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society. Los autores del estudio son Boyuan Liu, Saiyang Zhang y Volker Bromm de la Universidad de Texas en Austin. Liu ahora está en la Universidad de Cambridge.
