La materia oscura podría proporcionar a los agujeros negros supermasivos los frenos que necesitan para que choquen al final de un largo y vertiginoso viaje hacia su destino. Según un nuevo modelo matemático, un enigma conocido como el problema del parsec final puede resolverse mediante la presencia de partículas de materia oscura que interactúan entre sí y que permanecen agrupadas alrededor de los agujeros negros, permitiéndoles cruzar la distancia final entre ellos. Es un hallazgo que sugiere que la misteriosa materia que da al Universo su gravedad extra debe, por tanto, poder interactuar consigo misma, ya que el problema no puede resolverse con modelos de materia oscura que no interactúen.
“Demostramos que incluir el efecto de la materia oscura, previamente pasado por alto, puede ayudar a los agujeros negros supermasivos a superar este parsec final de separación y fusión”, dice el físico Gonzalo Alonso-Álvarez de la Universidad de Toronto y la Universidad McGill. “Nuestros cálculos explican cómo puede ocurrir esto, a diferencia de lo que se pensaba hasta ahora”.
Los agujeros negros supermasivos, que se encuentran en el corazón de las galaxias, plantean a los astrónomos un enorme enigma. Sabemos que los agujeros negros de tamaño más pequeño se forman a partir de núcleos colapsados de estrellas masivas que se quedaron sin combustible de fusión y murieron en el cósmico. Estas masas más pequeñas pueden fusionarse en otras más grandes; la fusión de agujeros negros más masiva detectada hasta la fecha produjo un objeto con una masa equivalente a 142 soles.
Los agujeros negros supermasivos tienen entre millones y miles de millones de veces la masa del Sol. Es razonable suponer que pueden alcanzar ese tamaño fusionándose con otros agujeros negros del tamaño de monstruos. Incluso hemos visto agujeros negros supermasivos orbitando entre sí después de que sus galaxias se hayan fusionado, a lo largo de la historia del Universo, aparentemente en un eventual curso de colisión.
Lo que no está claro, sin embargo, es cómo colisionan estos agujeros negros supermasivos. Según los modelos, a medida que los agujeros negros supermasivos giran entre sí, transfieren su energía orbital a las estrellas y al gas que los rodea, lo que hace que su órbita se vuelva cada vez más pequeña. A medida que su separación se reduce, la cantidad de cosas que pueden robarles el impulso también se reduce.
Cuando están a un parsec de distancia (aproximadamente 3,2 años luz), su vecindad galáctica ya no puede soportar una mayor desintegración orbital, por lo que la órbita de los agujeros negros se estabiliza durante lo que podría ser un período de tiempo muy largo. ¿Cuánto tiempo? Bueno, al menos más tiempo del que existe el Universo.
Una forma de determinar si los agujeros negros supermasivos realmente se han fusionado en el pasado implica ondas gravitacionales, grandes ondas en el tejido del espacio-tiempo causadas por grandes masas cuando cambian de velocidad. Si los agujeros negros supermasivos están colisionando en todo el Universo, debería haber un ‘zumbido’ de fondo característico de ondas gravitacionales de muy baja frecuencia que se ondulan constantemente por todo el Universo.
Finalmente hemos detectado un zumbido de ondas gravitacionales de fondo. Lo que sugiere que nos estamos perdiendo una parte crítica de la historia de la colisión de agujeros negros supermasivos. Este es el problema final del parsec.
La materia oscura podría ser lo que nos estamos perdiendo. Sin embargo, según modelos anteriores de fusión de agujeros negros supermasivos, su interacción gravitacional también debería expulsar del sistema partículas de materia oscura que de otro modo podrían absorber esa última porción de energía orbital.
Ahora bien, el problema de la materia oscura es que no sabemos qué es. No interactúa con la materia normal del Universo más allá de su atracción gravitacional, lo que hace que sea extremadamente difícil de explorar. En realidad, la llamamos materia oscura como término reservado, y los científicos están tratando de descubrir sus propiedades estudiando el comportamiento del Universo de otras maneras.
Alonso-Álvarez y sus colegas se preguntaron si nos estábamos apresurando demasiado al descartar la materia oscura como solución, por lo que diseñaron modelos matemáticos para probarla. Y descubrieron que la materia oscura que interactúa consigo misma puede permanecer cerca de los agujeros negros supermasivos fusionados, dándoles a los agujeros negros algo a lo que pasar su última energía orbital para que finalmente puedan abrazarse, formando un agujero negro supermasivo extra grande.
Por el momento, los resultados son bastante teóricos, pero hacen predicciones que pueden observarse. Los hallazgos predicen, por ejemplo, un ablandamiento del zumbido de fondo de las ondas gravitacionales, del que ya se han visto indicios. Y los resultados también se pueden utilizar para comprender los halos de materia oscura que rodean a las galaxias en todo el Universo, ya que las partículas deben interactuar a escala galáctica para poder resolver el problema final del parsec. Finalmente, los investigadores dicen que sus hallazgos representan una nueva herramienta para descubrir los misterios de la materia oscura.
“Nuestro trabajo es una nueva forma de ayudarnos a comprender la naturaleza particulada de la materia oscura”, afirma Alonso-Álvarez. “Descubrimos que la evolución de las órbitas de los agujeros negros es muy sensible a la microfísica de la materia oscura y eso significa que podemos utilizar observaciones de fusiones de agujeros negros supermasivos para comprender mejor estas partículas”.
La investigación ha sido publicada en Physical Review Letters.
Fuente: Science Alert.
