Una investigación conjunta dirigida por Michiko Fujii de la Universidad de Tokio demostró un posible mecanismo de formación de agujeros negros de masa intermedia en cúmulos globulares, cúmulos de estrellas que podrían contener decenas de miles o incluso millones de estrellas muy compactas. Las primeras simulaciones de formación de cúmulos masivos estrella por estrella revelaron que nubes moleculares suficientemente densas, los «nidos de nacimiento» de los cúmulos estelares, pueden dar origen a estrellas muy masivas que evolucionan hasta convertirse en agujeros negros de masa intermedia. Los hallazgos fueron publicados en la revista. Ciencia.
«Observaciones anteriores han sugerido que algunos cúmulos estelares masivos (cúmulos globulares) albergan un agujero negro de masa intermedia (IMBH)», explica Fujii la motivación del proyecto de investigación. «Un IMBH es un agujero negro con una masa de 100-10000 masas solares. Hasta ahora, no ha habido evidencia teórica sólida que demuestre la existencia de IMBH con 1000-10,10.1126/ciencia.adi4211000 masas solares en comparación con las menos masivas (masa estelar) y las más masivas (supermasivas)».
Los nidos de parto pueden evocar imágenes de calidez y tranquilidad. No ocurre lo mismo con las estrellas. Los cúmulos globulares de estrellas se forman en medio de la agitación. Las diferencias de densidad provocan primero que las estrellas colisionen y se fusionen. A medida que las estrellas continúan fusionándose y creciendo, las fuerzas gravitacionales crecen con ellas. Las repetidas colisiones estelares en la densa región central de los cúmulos globulares se denominan colisiones desbocadas. Pueden dar lugar al nacimiento de estrellas muy masivas con más de 1.000 masas solares. Estas estrellas podrían potencialmente evolucionar hasta convertirse en IMBH. Sin embargo, simulaciones anteriores de cúmulos ya formados sugirieron que los vientos estelares se llevan la mayor parte de su masa, dejándolos demasiado pequeños. Para investigar si los IMBH podrían «sobrevivir», los investigadores necesitaban simular un cúmulo mientras aún se estaba formando.
«Las simulaciones de formación de cúmulos de estrellas fueron desafiantes debido al costo de la simulación», dice Fujii. «Por primera vez, realizamos con éxito simulaciones numéricas de la formación de cúmulos globulares, modelando estrellas individuales. Al resolver estrellas individuales con una masa realista para cada una, pudimos reconstruir las colisiones de estrellas en un entorno muy compacto. Para estas simulaciones, Hemos desarrollado un novedoso código de simulación en el que podríamos integrar millones de estrellas con gran precisión».
En la simulación, las colisiones descontroladas condujeron a la formación de estrellas muy masivas que evolucionaron hasta convertirse en agujeros negros de masa intermedia. Los investigadores también encontraron que la relación de masa entre el cúmulo y el IMBH coincidía con la de las observaciones que motivaron originalmente el proyecto.
«Nuestro objetivo final es simular galaxias enteras resolviendo estrellas individuales», apunta Fujii a futuras investigaciones. «Todavía es difícil simular galaxias del tamaño de la Vía Láctea resolviendo estrellas individuales con los superordenadores disponibles actualmente. Sin embargo, sería posible simular galaxias más pequeñas, como por ejemplo las galaxias enanas. También queremos centrarnos en los primeros cúmulos, los cúmulos de estrellas formados en el universo temprano. Los primeros cúmulos también son lugares donde pueden nacer los IMBH».