The role of gas fragmentation in the formation of primordial supermassive black holes

Abstract

En la presente tesis estudio cómo el proceso de fragmentación afecta la formación de las semillas de agujeros negros supermasivos primordiales utilizando simulaciones cosmológicas hidrodinámicas. Éstos se caracterizan por habitar los centros de los cuásares más brillantes observados en épocas muy tempranas del Universo. Debido a las limitaciones observacionales y a la complejidad de las ecuaciones que gobiernan los fenómenos, las simulaciones computacionales resultan ser la mejor forma de entender como estas estructuras se formaron. En este trabajo se realizaron cincuenta simulaciones de baja resolución compuestas sólo de materia oscura con el fin de identificar los halos más prometedores para la formación de semillas masivas. Tres halos fueron elegidos con el fin de ser re-simulados con mayor resolución. El criterio de selección se basó en la rotación del halo y en la historia de fusión con otro halos. Lo anterior se realizó requiriendo que todos tuvieran una masa > 5 × 10⁷ Msun. Una vez escogidos los halos, se procedió a re-simularlos incluyéndose la física del gas, mayor resolución, y un fondo uniforme de radiación UV. Además se agregó un algoritmo para formar partículas sumidero, las cuales representan las estructuras no resueltas por el código. Los tres halos escogidos se re-simularon imponiendo dos condiciones de fondo UV: una de intensidad baja, J21 = 10, y otra de intensidad alta, J21 = 10000. Se observó que dos de las simulaciones bajo la influencia de un fondo de radiación UV de gran intensidad replicaron muy bien el modelo de colapso directo, en el cual el gas del halo colapsa directamente en un objeto muy masivo (> 10⁵ Msun). Estas simulaciones formaron una única partícula sumidero, la que alcanzó masas mayores a 10⁵ Msun hacia el final de la simulación. En ambos casos la tasa de acreción se mantuvo mayor a 0.1 Msun/yr durante todo el tiempo que se mantuvo corriendo la simulación y no se observó fragmentación en estos casos. Por el contrario, en la re-simulación de un halo formado como resultado de una gran cantidad de fusiones, una estructura espiral se formó en los 5 pársec centrales. Dicha estructura se fragmentó formando varias partículas sumidero. La primera que se formó alcanzó una masa cercana a los 10⁵ Msun, mientras que las demás alcanzaron masas intermedias entre 10³ Msun y 5 ×10⁴ Msun. Las simulaciones con un fondo de radiación UV de baja intensidad revelaron en todos los casos fragmentación y formación de varias partículas sumidero. En estos casos las partículas más masivas alcanzaron masas del orden de 10⁴ Msun, la cual es menor que en el caso anterior, pero sigue siendo relevante para la formación de semillas masivas. Como se formaron varias partículas sumidero en todos estos casos, éstas están más propensas a interactuar entre ellas, pudiendo fusionarse intensificando su tasa de acreción, lo cual efectivamente se observó. Finalmente se concluye que la fragmentación no es un impedimento para la formación de semillas masivas, y que la dinámica de los sistemas es relevante para la formación y evolución de las mismas.