Explican el origen de los monstruosos agujeros negros aparecidos tras el Big Bang

Proponen un posible origen para los enormes cuerpos situados en el centro de muchas galaxias: corrientes supersónicas de gas formado tras el origen del Universo se acumularon y colapsaron, generando estos objetos 

Un equipo internacional de investigadores ha conseguido elaborar una simulación de ordenador para explicar y recrear la formación de los primeros  agujeros negrossupermasivos, esas colosales acumulaciones de energía y masa (que tienen una masa comparable a la de cientos o miles de millones de soles) y que están en el centro de muchas galaxias, como la Vía Láctea. El estudio, publicado este jueves en Science, ha mostrado que corrientes de gas supersónicas formadas tras el Big Bang podrían ser la explicación para la aparición de estos objetos tan importantes en la evolución del Universo.

«Es un avance significativo», ha dicho en un comunicado Naoki Yoshida, primer autor del estudio e investigador en el Insituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo. «El origen de los monstruosos agujeros negros siempre ha sido un misterio y ahora tenemos una posible solución».

Los astrónomos han podido ver agujeros negros supermasivos situados a una distancia de 13.000 millones de años luz, cuando el Universo apenas tenía el cinco por ciento de su edad actual. Pero ninguna de sus teorías ha podido explicar hasta ahora cómo fue el nacimiento de estos cuerpos en aquellas etapas tempranas. Esto implica que se desconoce una parte importante de cómo nació el Universo visible hoy en día y de que las teorías han pasado algo muy importante por alto. 

La semilla: el colapso gravitacional

Los científicos han dado varias posibles explicaciones. Sugirieron que los agujeros negros supermasivos podrían haberse formado tras la muerte de la primera generación de estrellas que apareció en el Universo. O bien que su origen estaría en la nube de gas primordial, esa masa de gas formada tras el Big Bang, antes que las estrellas. De acuerdo con esta idea, podría ser que el nacimiento de los agujeros negros estuviera relacionado con el colapso gravitacional de este gas. ¿Qué quiere decir esto? Este colapso ocurre cuando una gran acumulación de masa genera una atracción gravitacional tan fuerte que incluso supera la capacidad de resistencia de los átomos. Por eso, en teoría, el colapso progresa fuera de control y sin que nada pueda detenerlo hasta generar una singularidad: el agujero negro. 

 

Acumulación de materia oscura (arriba) y de gas primordial (abajo), que luego darían lugar a un agujero negro- Shingo Hirano

En esta ocasión, Yoshida y su compañero Shingo Hirano, investigador en la Universidad de Texas, Austin (EE.UU.), se fijaron en un posible mecanismo para generar agujeros negros supermasivos con una velocidad suficiente. La clave fue tener en cuenta el movimiento supersónico del gas atrapado por la materia oscura, esa extraña entidad que genera gravedad en el tejido del Universo pero que no está asociada a nada que pueda verse directamente a través de ningún instrumento.

Matemáticas para ver más lejos

De momento, no hay forma de ver lo que ocurrió directamente cuando el Universo estaba dando sus primeros pasos, y quizás nunca sea posible. Pero los científicos pueden desarrollar modelos de ordenador para usar los datos recogidos por los astrónomos y obtener resultados. Guardando las distancias, el proceso recuerda al funcionamiento de una «Thermomix»: se introducen datos (ingredientes) y la máquina los procesa (siguiendo las instrucciones de una «receta») para obtener resultados también en forma de números (la comida procesada). Si resulta que estas conclusiones son compatibles con las cosas que se observan a través de los telescopios, es porque el modelo ha dado con una explicación, al menos plausible, sobre lo que se está estudiando: en este caso el origen de los agujeros negros supermasivos más antiguos.

En esta ocasión, y gracias a los masivos cálculos de un supercomputador, las simulaciones mostraron que solo 100 millones de años después del Big Bang se formó una gran acumulación de materia oscura. Las corrientes de gas supersónicas, originadas en la gran explosión, fueron capturadas por estas acumulaciones de masa. Así, en tiempos muy breves, el gas se concentró y formó enormes y turbulentas nubes de gas, en cuyo interior se pudieron formar rápidamente los gérmenes de estrellas inmensas.

«Una vez que llegaron a una masa de 34.000 soles, las estrellas colapsaron por su propia gravedad, y dieron paso a agujeros negros», ha dicho Yoshida. «Estos agujeros negros masivos nacidos en el Universo temprano continuaron creciendo y fundiéndose con otros hasta convertirse en agujeros negros supermasivos», ha propuesto el astrofísico. Estos son los que podemos ver hoy en día a través de potentes telescopios.

La densidad de los agujeros negros

Las simulaciones son simulaciones y la realidad es la realidad. Pero lo cierto es que el modelo usado por estos investigadores ha predicho un Universo en el que habría un número de agujeros negros supermasivos similar al que realmente existe: con una densidad de cerca de uno por cada 3.000 millones al cubo de años luz (este es el volumen que queda comprendido en un cubo de 3.000 millones de años luz de lado).

Esta investigación será importante para las futuras investigaciones que analicen el crecimiento de grandes agujeros negros. Además, se espera que en los próximos años el potente telescopio espacial James Webb acelere este área gracias a su capacidad de observar el Universo más lejano y por tanto más antiguo.

Así las cosas, parece que con el Big Bang, en un instante imposible el tiempo comenzó a correr. Y con él la materia, la energía y el espacio «brotaron» en todas direcciones. Desde un punto singular en el que se concentraba toda la energía, en cuestión de segundos la expansión permitió la aparición de los átomos más sencillos posibles: los de hidrógeno y helio. En teoría, hicieron falta miles de millones de años para que apareciera la luz, y para que el gas primordial se aglutinase y formase estrellas, galaxias y también agujeros negros. Pero, ¿cómo ocurrió esto? ¿Cuándo y por qué aparecieron los primeros agujeros negros supermasivos? Esto es lo que aun se está tratando de comprender. La receta para lograrlo pasa por usar telescopios cada vez más potentes, y quizás valerse de la información de lasondas gravitacionales, y hacer simulaciones por odenador que puedan explicar los fenómenos que sí que se pueden observar.

Fuente: http://elblogantares.blogspot.com.es/2017/09/explican-el-origen-de-los-monstruosos.html

Big bang birthday: Six mysteries of a cosmic bombshell

(Image: NASA/WMAP Science Team)

In 1964, a pair of engineers at Bell Labs in New Jersey tried to build a better antenna and ended up uncovering the origins of the universe. After ruling out city noise, nuclear bombs and pigeon poop, Arno Penzias and Robert Wilson argued that a strange radio hiss in their readings was the first confirmed signal of the cosmic microwave background (CMB). This relic glow emerged as a result of the big bang and now permeates the universe.

The discovery solidified big bang theory as our best explanation for cosmic origins, and Penzias and Wilson went on to net a Nobel prize. Now, 50 years later, the CMB (pictured above) has helped us figure out the universe's age, shape and components, as well as details about how it has evolved. But with almost every discovery, the CMB raised new and more vexing questions. Here are six of the biggest lingering mysteries sparked by studies of the big bang.

1. Why is the early universe so smooth? 

At first, maps of the CMB looked too good to be true. After the big bang, matter should have flown apart and formed random clumps. But the CMB showed that the universe was incredibly uniform, as if far-flung regions had somehow stayed in contact during the universe's early expansion.

In the 1980s, physicists came up with the idea that the universe went through a period shortly after the big bang when it ballooned exponentially – a theory now called inflation.

Recent maps of the CMB have borne out some predictions of this model, butnot all of them. Even if the theory is true, we still have no idea what caused inflation, when it started and why it stopped. We could have an answer soon. Inflation should have triggered ripples in space-time called gravitational waves, and signatures of these waves should show up in upcoming, higher-resolution maps of the CMB, says Avi Loeb of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts. "It's not easy by other means to develop gravitational waves of the type one expects," he says.

2. Was there anything before the big bang?

Inflation erased any record of what came before the rapid expansion, so we can't answer this question by looking at the sky. In addition, the universe started out so hot and dense that the equations we use to describe its expansion and evolution break down.

A theory that unites these equations with quantum mechanics could make mathematical predictions of what, if anything, existed before the big bang, but such a theory remains elusive. Of course, that has not prevented people from using the CMB to speculate about bouncing universes that cycle through endless bangs and crunches, or multiverses that bud off from a single original universe.

3. Could ancient life have emerged in the big bang's glow?

The CMB's light comes from superheated gas, or plasma, that filled the early universe. This matter cooled with time to give rise to stars and galaxies, and today space is too frigid to host life as we know it on worlds far from their stars. But temperature readings of the CMB hint that a mere 15 million years after the big bang, the glow would have been warm enough to make the whole universe one large life-friendly zone. This epoch would have lasted a few million years, enough time for microbes to emerge but not complex life, Loeb suggests.

4. What are dark matter and dark energy?

Astronomers already knew in 1964 that some parts of the universe had more matter than we could see: based on our best understanding of gravity, galaxies whip around in clusters and spin faster on their axes than their visible matter should allow them to without flying apart. The CMB showed us that this unseen dark matter makes up about 80 per cent of all matter in the universe. But we still don't know what the mysterious stuff is made of, or whether it will ever show itself in space-based experiments or underground detectors.

Also, supernova studies revealed in 1998 that the universe has not only been expanding since the big bang, but also flying apart at an accelerating rate. This effect is attributed to a strange force called dark energy, and the CMB revealed that it makes up 68 per cent of everything in the universe. Beyond that, dark energy remains one of the most mysterious forces in physics.

5. What is the universe's ultimate fate?

Studies of the CMB could help us trace dark energy's behaviour over time, ultimately telling us what might happen when the universe ends. If dark energy steadily increases in strength, then the universe may be doomed to tear itself apart in a big rip. If it increases and then decreases again, however, some structures could grow again from the ashes of a dying universe. And if dark energy holds steady at the rate we see today, the universe will expand forever and end up dark and cold.

6. Will the big bang become an untestable theory?

If a steady expansion continues long enough, a single wavelength of the CMB will be stretched until it is as large as the universe itself. That means any humans still around in a trillion years or so won't be able to detect the CMB at all, says Loeb. "The sense that we have of cosmological studies will be lost, because we won't be able to find any trace of the big bang on the sky," he says. "In the future, we will have a story of the big bang, and we won't be able to verify it. So will cosmology turn into a religion? At least for a trillion years, we won't have to worry about that."

For more big bang excitement, watch Wilson and Loeb speak during a 50th anniversary celebration at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics at 1930 EST today (0030 GMT 21 February). More info here, or simply watch it here.

22:23 20 February 2014 by Lisa Grossman

http://www.newscientist.com/

El Universo antes del Big Bang

El Universo, con su espacio y tiempo, no empezó en el Big Bang, sino que está en un ciclo continuo. En realidad, el Big Bang fue uno entre una serie de muchos. Así lo señala en un artículo el físico teórico de la Universidad de Oxford Roger Penrose, que se enfrenta así de lleno a la teoría más aceptada sobre el origen del Universo: todo empezó en un punto de densidad infinita. Una gigantesca explosión, el famoso Big Bang, provocó que todo se expandiera, hace unos 13.700 millones de años.

Para hacer esta controvertida propuesta, Penrose se basa en el satélite WMAP de la NASA y del experimento BOOMERanG de la Antártida, con los que se han obtenido datos de la radiación de microondas creada cuando el Universo apenas tenía 300.000 años. Junto a otro científico, Vahe Gurzadyan del Instituto de Física Yerevan en Armenia, Penrose afirma haber identificado “círculos concéntricos” en los datos, zonas en las que el rango de temperatura de la radiación es notablemente menor que en otros sitios.
Gracias a estos círculos, según ambos investigadores, se puede apreciar lo que había antes del Big Bang, ya que serían marcas dejadas por agujeros negros que chocaron en la época anterior. Pero no solo hubo un antes del Big Bang, sino que según esta teoría, que han denominado “cosmología cíclica conformal”, el Universo camina hacia otro Big Bang. En concreto, se pasará de estar infinitamente grande hasta volverse de nuevo infinitamente pequeño y estallar en otro Big Bang.
De ser correcta la propuesta, cambiaría por completo el concepto actual que se tiene sobre el Universo. Para ello, tendrá que salvar las numerosas críticas que surgirán y explicar algunos aspectos de la teoría sobre los que no hay pruebas.

Fuente: e-ciencia.com