¿Alguna estrella puede formar agujeros negros supermasivos?

Como dices, hacer agujeros negros rápidamente en el Universo primitivo es un gran problema sin resolver en astrofísica. Hay varias hipótesis, de las cuales dos corresponden aproximadamente a estrellas supermasivas. Básicamente, todos implican tratar de darle al agujero negro una ventaja en masa. Realmente no hay tiempo suficiente para hacer crecer un$100\,M_\odot$agujero negro para$10^9\,M_\odot$, por lo que la idea es obtener algo más masivo que unos pocos$\times1000\,M_\odot$. La revisión más reciente que conozco es probablemente Volonteri (2010) , pero no estoy al día con la literatura.

Básicamente, imagina unos cientos de miles de masas solares de gas colapsando en una galaxia primordial. A medida que el gas colapsa, potencialmente se fragmenta, dependiendo de si puede o no enfriarse de manera eficiente. Si es así, presumiblemente los fragmentos pueden formar estrellas, pero en un cúmulo muy denso. En última instancia, (a) las estrellas masivas en el cúmulo colapsan en agujeros negros que luego se fusionan en un agujero negro más grande, que posteriormente puede acumular su camino hacia la supermasividad (¿supermasa?); o (b) las estrellas individuales primero se fusionan en el centro, creando una estrella de quizás algunos miles de masas solares, que colapsaría en un enorme agujero negro que podría crecer.

Si la nube galáctica primordial no se fragmenta, esperamos una especie de colapso monolítico. En algún lugar en el medio, el gas comenzará a alcanzar el equilibrio hidrostático: se forma una protoestrella. Pero es una protoestrella que potencialmente acumula varias masas solares de material por año (o incluso más rápido). Entonces, lo que suceda a continuación depende de si esa rápida caída de material tiene tiempo para alcanzar el equilibrio térmico local con la protoestrella, o si simplemente se acumula en el exterior.

Si es lo primero, entonces la protoestrella puede volverse muy grande: miles o decenas de miles de masas solares, que, como el producto de la superfusión anterior, presumiblemente deja un agujero negro masivo al final. Si la pequeña protoestrella evoluciona independientemente del gas que cae, probablemente también sea lo suficientemente grande como para dejar un agujero negro, solo que uno mucho más pequeño: decenas, tal vez cientos de masas solares. Pero es un agujero negro incrustado en esta enorme nube de gas que cae, que potencialmente se asienta en una envoltura alrededor del agujero negro. Esta estructura ha sido denominada "cuasi-estrella", y el agujero negro en el interior puede crecer muy rápidamente en este capullo. Eventualmente, la envoltura se evaporará/dispersará, dejando que el agujero negro ahora masivo continúe aumentando su camino hacia la supermasividad.

Tenga en cuenta que se espera que estos mecanismos de formación sean particulares del Universo primitivo. Una vez que agrega incluso una pequeña cantidad de metales al gas, se espera que la formación de estrellas se parezca mucho más al Universo "moderno". De hecho, la formación estelar en estos escenarios aún está lejos de resolverse. La razón principal es que necesitas seguir cómo evoluciona el gas desde la escala de la protogalaxia hasta las protoestrellas en su interior. Este es un rango de escalas algo así como$1\,\mathrm{AU}/10,000\,\mathrm{ly}\approx10^{-9}$, que es numéricamente muy difícil.

Y, finalmente, para responder directamente a la pregunta, en ninguna de las opciones de estrellas supermasivas las estrellas colapsan realmente en agujeros negros supermasivos. Los SMBH son tan grandes que solo pueden haber crecido tanto a través de la acumulación. Las estrellas supermasivas colapsarían en sus progenitores (o "semillas"), que posteriormente crecerían hasta alcanzar masas tan grandes.

Las estrellas muy tempranas se construyeron con material producido en el Big Bang. Esto sería casi totalmente hidrógeno y helio sin "metales". Es más fácil formar estrellas más masivas a partir de este material, ya que es más transparente a la radiación. Sin embargo, la mayor de estas estrellas de la población III solo se considera que tiene unas 1000 masas solares.

Por lo tanto, los agujeros negros supermasivos necesitan crecer (rápidamente), ya sea mediante fusiones en cúmulos o entre galaxias, o mediante la rápida acumulación de gas en un agujero negro "semilla" de masa mucho menor.

Exactamente cómo es un importante problema de astrofísica sin resolver.