Runaways collisions in nuclear stellar clusters

Abstract

Los cúmulos nucleares de estrellas son los sistemas estelares más densos de la naturaleza. El centro de las galaxias puede albergar un cúmulo nuclear de estrellas o un agujero negro supermasivo, también puede albergar ambos al mismo tiempo. El origen de los agujeros negros supermasivos y su evolución no está claro; aquí presentamos un nuevo escenario donde las colisiones fuera de control en un cúmulo estelar nuclear son un mecanismo para la formación de agujeros negros supermasivos. La dinámica estelar en el cúmulo incluye encuentros cercanos de estrellas que generalmente ocurren a alta velocidad en el núcleo debido al profundo potencial gravitacional. A veces, después de estos encuentros, algunas estrellas pueden ser expulsadas del sistema con algo de energía cinética, lo que desencadena una redistribución de la energía que produce un colapso del núcleo y hace que un solo objeto experimente casi todas las colisiones, volviéndose muy masivo. Nuestras simulaciones muestran una eficiencia de formación de agujeros negros de 14 — 33 % después de 1 Myr de evolución. Nuestros sistemas estelares muestran que la formación de un agujero negro supermasivo es posible a través de colisiones en un cúmulo estelar nuclear.

Nuclear stellar clusters (NSCs) are the densest stellar systems in nature. The center of galaxies can host a NSC or a supermassive black hole (SMBH) they can also host both at the same time. The origin of SMBHs and their evolution is not clear; here we present a new scenario where runaway collisions in a nuclear stellar cluster are a mechanism for the formation of supermassive black holes. The stellar dynamics in the cluster include close encounters of stars that usually occur at high speed in the core due to the deep gravitational potential. Sometimes after these encounters, some stars can be ejected from the system with some kinetic energy, triggering a redistribution of the energy producing a core collapse, and causing one object to experience almost all collisions, becoming very massive. Our simulations show a black hole formation efficiency of 14 — 33% after 1 Myr of evolution. Our stellar systems show that the formation of a supermassive black hole is possible through collisions in a nuclear stellar cluster.