Formación de Agujeros Negros a través de colisiones de estrellas de la secuencia principal en cúmulos primordiales con un potencial de fondo (formation of black holes via collisions of main-sequence stars in primordial clusters with a background potential).

Abstract

The amazing existence of supermassive black holes in the primitive Universe is one of the great mysteries without answer in astrophysics, in particular, how they get their great masses so fast. Here our interest consists in exploring a new scenario for the formation of massive black holes: the formation by catastrophic stellar collisions in dense star clusters. Our systems are located in the early universe, with the so-called population III stars which are very massive, and therefore population III star clusters are very dense and massive stellar systems. The N-body simulations we run with the code NBODY6++GPU can be divided into two groups, one with background potential and the other without background potential. A critical mass has been established for which the number of collisions is so high that massive black holes can form within these nuclear star clusters. Here, our goal is to test the existence of this critical mass in a simplified case of population III star clusters of equal mass. In terms of the efficiency for the formation of a massive object, we find a transition to occur, as the efficiency is very small for masses considerably below the critical value while reaching values of ∼ 20% once we start approaching the critical mass scale in our simulations. Our results thus suggest such a critical transition to occur depending on the mass of the cluster and the most massive objects reaching masses of about 1.7 ×105M .

La asombrosa existencia de agujeros negros supermasivos en el Universo primitivo es uno de los grandes misterios sin respuesta en astrofísica, en particular, cómo obtienen sus grandes masas tan rápido. Aquí nuestro interés consiste en explorar un nuevo escenario de formación de agujeros negros masivos: la formación por colisiones estelares catastróficas en cúmulos estelares densos. Nuestros sistemas están localizados en el universo temprano, con las denominadas estrellas de población III las cuales son muy masivas y, por tanto, cúmulos de estrellas de población III son sistemas estelares muy densos y masivos. Las simulaciones de N cuerpos fueron corridas con el código NBODY6++GPU y pueden ser divididas en dos grupos, uno con potencial de fondo y otro sin potencial de fondo. Se ha establecido una masa crítica para la cual el número de colisiones es tan alto que puede llegar a formar agujeros negros masivos al interior de estos cúmulos estelares nucleares. Aquí, nuestro objetivo es testear la existencia de esta masa crítica en un caso simplificado de cúmulos de estrellas de población III de igual masa. En términos de la eficiencia para la formación de un objeto masivo, encontramos que ocurre una transición, ya que la eficiencia es muy pequeña para masas considerablemente por debajo del valor de masa crítica, alcanzando valores de ∼ 20% una vez que comenzamos a acercarnos a la escala de masa crítica en nuestras simulaciones. Nuestros resultados sugieren que ocurre una transición crítica dependiendo de la masa del cúmulo y los objetos más masivos alcanzan masas de aproximadamente 1.7 × 105M.