¿Existen pruebas de que el gas haya formado un agujero negro sin ser primero una estrella?

Question

Esta es mi idea general de cómo las partículas de gas forman un agujero negro:

1) La gravedad empuja las partículas de gas entre sí.

2) Estas partículas rápidas crean calor (por la fricción debida a su roce).

3) Este calor proporciona a las partículas enormes cantidades de energía para superar las fuerzas nucleares de cada una, creando la fusión (se crea una estrella).

4) Esta fusión contrarresta la gravedad que aprieta las partículas hacia dentro, creando un equilibrio.

5) Con el tiempo, el hidrógeno se agota y la fusión se detiene.

6) La gravedad empuja las partículas cada vez más cerca, hasta que la masa colectiva es tan densa que forma un agujero negro.

Pregunta : ¿Se ha demostrado que la gravedad hace que las partículas de gas formen un agujero negro, sin convertirse primero en una estrella? Me parece que la "etapa estelar" es sólo una especie de período intermitente, y no ayuda a que las partículas se conviertan en un agujero negro. Por supuesto, tal vez sea físicamente imposible que las partículas de gas no formen una estrella al ser exprimidas hasta tal punto, pero a eso se refiere mi pregunta.

Answer 1

En primer lugar, no vamos a ver que este proceso ocurra en el universo actual, porque las nubes de gas con un enriquecimiento metálico importante no pueden colapsar directamente en agujeros negros. La razón principal es que el gas enriquecido con metales de generaciones anteriores de estrellas puede enfriarse eficazmente y esto lleva a fragmentación de una nube de gas en colapso.

La inestabilidad que lleva al colapso de una nube se rige por la Masa de jeans la masa más pequeña susceptible de colapsar, que escala como $T^{3/2}/\rho^{1/2}$ , donde $T$ es la temperatura y $\rho$ la densidad. Si el gas puede enfriarse efectivamente al colapsar, entonces la temperatura se mantiene más o menos constante, la masa de Jeans cae y la nube se rompe en núcleos más pequeños. Estos núcleos suelen acabar siendo de tamaño estelar.

La fragmentación cesa porque en algún momento del colapso, el gas se vuelve opaco a la radiación infrarroja y la nube alcanza un equilibrio hidrostático aproximado. La energía térmica que se pierde provoca una contracción y el centro de la protoestrella se calienta. El problema para la formación de agujeros negros es que no es posible que la nube en colapso entre en su radio de Schwarzschild antes de que se produzca la fusión nuclear.

He hecho un cálculo aproximado aquí que muestra que el interior de la nube alcanzaría los 500.000 millones de K en el momento en que se hubiera colapsado hasta un radio de Schwarzschild, por lo que es sencillamente imposible que se produzca este colapso directo. Se produciría la fusión nuclear y la estrella tendría que pasar por su ciclo vital antes de que se pueda reanudar el colapso.

Sin embargo, en el temprano universo, se puede ser posible que una nube de gas colapse directamente en un agujero negro masivo y esto puede ser la razón por la que los cuásares pueden existir sólo unos cientos de millones de años después del big bang.

El gas primordial compuesto únicamente por átomos de hidrógeno y helio no puede enfriarse de forma muy eficiente, sin embargo, las moléculas de hidrógeno puede irradiar eficientemente. La clave del colapso directo a un agujero negro es evitar el enfriamiento y la fragmentación del gas. Esto puede lograrse si una fuente externa de radiación UV, proporcionada por las primeras estrellas, es capaz de disociar las moléculas de hidrógeno. Entonces, las nubes primordiales son menos susceptibles de fragmentarse porque se calientan al hacerse más densas y la masa de Jeans no puede hacerse pequeña. Estas grandes nubes no son tan densas como una nube de menor masa a medida que se acercan a sus radios de Schwarzschild, por lo que no se vuelven opacas a la radiación que producen y pueden ser capaces de colapsar directamente en grandes agujeros negros ( $10^4$ a $10^5$ masas solares). Véase este comunicado de prensa para un resumen alternativo de esta idea y enlaces a documentos académicos recientes sobre el tema (por ejemplo Agarawal et al. 2015 ; Regan et al. 2017 ; Smith, Bromm y Loeb 2017 ).

En cuanto a las pruebas, no hay ninguna que sea directa. Algunos argumentan que la presencia de agujeros negros supermasivos sólo unos cientos de millones de años después del Big Bang significa que estos agujeros negros masivos "semilla" deben ser creados. Sin embargo, hay otras ideas, además del colapso directo, que podrían ser posibles (por ejemplo, la fusión de agujeros negros dentro de cúmulos), por lo que la respuesta a la pregunta de su título debe ser no en esta etapa.

Answer 2

¿Se ha demostrado que la gravedad hace que las partículas de gas formen un agujero negro, sin convertirse primero en una estrella?

"Chandrasekhar dedujo una relación entre la masa de la estrella y su radio que establece un límite superior a la masa que puede tener una enana blanca, más allá de la cual colapsará hasta convertirse en una estrella de neutrones o, si es suficientemente masiva, en un agujero negro. ( http://archive.ncsa.illinois.edu/Cyberia/NumRel/BlackHoleFormation.html )"

Así es como, tradicionalmente, se conceptualiza la formación de agujeros negros a través de la evolución estelar. Creo que para formar un agujero negro sin formar primero una estrella se necesitaría una enorme cantidad de masa, o una pequeña cantidad de espacio. Dependiendo de las condiciones locales específicas, esto puede ocurrir con 1) la formación de un BH supermasivo o 2) en el universo temprano (estos dos puntos están relacionados).

1. En el centro de las galaxias existen BH supermasivos. Los BH supermasivos son del orden de $10^6$ masas solares. Así que si imaginamos tener $10^6$ masas solares asentadas en un espacio por lo demás vacío, yo pensaría que no se formaría una estrella, ya que la escala de tiempo de reacción posterior es (probablemente) mucho menor que la escala de tiempo nuclear. Pero este simple experimento mental no es muy realista en cuanto a la formación de estructuras físicas.
2. ¿Cómo se forma la estructura en el universo? Prevalecen dos explicaciones principales: monolítica (descendente) y jerárquica (ascendente). ( http://iopscience.iop.org/article/10.1086/305523/fulltext/ )

La monolítica era la explicación original, pero hoy en día la formación jerárquica es más favorable (la monolítica aún no está completamente descartada). ( https://ned.ipac.caltech.edu/level5/Sept05/Gawiser/Gawiser1.html ) "El modelo original de formación de galaxias fue el Colapso Monolítico (Eggen et al. 1962), en el que el colapso gravitacional de una nube de gas primordial muy temprano en la vida del Universo formó todas las partes de cada galaxia al mismo tiempo. Las pruebas modernas descartan este modelo en dos frentes: las edades muy variables de los distintos componentes de la galaxia proporcionan un contraejemplo, y la cosmología LambdaCDM predice la formación de estructuras "de abajo arriba", es decir, jerárquicas, en lugar de "de arriba abajo"."

Para la formación jerárquica: ( http://burro.cwru.edu/Academics/Astr222/Cosmo/Structure/hierarchical.html ) ( https://starchild.gsfc.nasa.gov/docs/StarChild/questions/question55.html )