Materia Oscura y Agujeros Negros: La Clave para Resolver el Enigma del Pársec Final

Investigadores han encontrado una relación entre la materia oscura y los agujeros negros supermasivos, que, típicamente, residen en el centro de galaxias y que, como su nombre sugiere, son la clase de agujeros negros con mayor masa.

El estudio lo han realizado Gonzalo Alonso-Álvarez, de la Universidad de Toronto en Canadá, James M. Cline, de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) en Ginebra, Suiza, y Caitlyn Dewar, de la Universidad McGill en Montreal, Canadá.

Los nuevos cálculos realizados por estos científicos revelan que parejas de agujeros negros supermasivos pueden fusionarse en un único agujero negro de mayor masa debido a un comportamiento de las partículas de materia oscura que hasta ahora se había pasado por alto.

El hallazgo resuelve un enigma que la astrofísica de agujeros negros llevaba arrastrando desde hace tiempo, el conocido como el “problema del pársec final”.

Teniendo en cuenta que los agujeros negros supermasivos son comunes en los núcleos de la mayoría de las galaxias, cuando dos galaxias colisionan, los agujeros negros supermasivos entran en órbita uno alrededor del otro.

Mientras giran uno alrededor del otro, la atracción gravitatoria de las estrellas cercanas tira de ellos y los ralentiza.

Como resultado, los agujeros negros supermasivos se mueven en espiral, acercándose cada vez más, hasta el previsible final en el que colisionan y se fusionan en un solo agujero negro.

En 2023, se dio a conocer la detección de un “zumbido” de ondas gravitacionales que llena todo el universo.

Se llegó a la conclusión de que este fondo cósmico de ondas gravitacionales probablemente es el resultado de la fusión de millones de pares de agujeros negros supermasivos, cada uno miles de millones de veces más masivo que nuestro Sol.

Sin embargo, las simulaciones teóricas demostraron que, a medida que las parejas de estos objetos celestes acortan la distancia que les separa, se producen efectos que hacen que su aproximación se estanque cuando están separados por aproximadamente un pársec (una distancia de unos tres años-luz), lo que impide la colisión y la fusión resultante.

Este problema del pársec final no solo entraba en conflicto con la teoría de que la fusión entre agujeros negros supermasivos era la fuente del fondo cósmico de ondas gravitacionales, sino que también contradecía la teoría de que los agujeros negros supermasivos crecen a partir de la fusión de agujeros negros menos masivos.

Los autores del nuevo estudio han mostrado ahora que, incluyendo el efecto anteriormente pasado por alto de la materia oscura, los nuevos cálculos indican que los agujeros negros supermasivos sí pueden recorrer este último pársec y fusionarse.

Los cálculos realizados en el nuevo estudio también explican cómo puede ocurrir.

Los anteriores modelos de fusión entre agujeros negros supermasivos mostraban que cuando los agujeros negros supermasivos se acercaban a una distancia aproximada de un pársec, empezaban a interactuar con la nube o halo de materia oscura en la que estaban incrustados.

Esos modelos indicaban que la gravedad de los agujeros negros supermasivos orbitándose en parejas a una distancia cada vez más corta expulsa las partículas de materia oscura fuera del sistema y la escasez de materia oscura resultante hace que no se extraiga energía de la pareja y que sus órbitas mutuas dejen de encogerse.

Mientras que esos modelos desestimaban la influencia de la materia oscura en las órbitas de los agujeros negros supermasivos, el nuevo modelo de Alonso-Álvarez y sus colegas revela que las partículas de materia oscura interactúan entre sí de tal forma que no se dispersan.

La densidad del halo de materia oscura sigue siendo lo suficientemente alta como para que las interacciones entre las partículas y los agujeros negros supermasivos continúen degradando las órbitas de los agujeros negros supermasivos, despejando el camino hacia la fusión de los miembros de la pareja.

“La posibilidad de que las partículas de materia oscura interactúen entre sí es una suposición nuestra, un ingrediente extra que no todos los modelos de materia oscura contienen”, aclara Alonso-Álvarez.

“Nuestro argumento es que solo los modelos con ese ingrediente pueden resolver el problema del pársec final”.

Además de proporcionar información sobre los agujeros negros supermasivos y el fondo cósmico de ondas gravitacionales, los resultados del nuevo estudio también abren una posible ventana a la naturaleza de la materia oscura.

Los investigadores han descubierto que la evolución de las órbitas de los agujeros negros es muy sensible a la microfísica de la materia oscura y eso significa que es factible emplear observaciones de fusiones de agujeros negros supermasivos para comprender mejor a las partículas de materia oscura.

Por ejemplo, los investigadores han descubierto que las interacciones entre las partículas de materia oscura que recrearon en su modelo también explican las formas de los halos galácticos de materia oscura.

En definitiva, Alonso-Álvarez y sus colegas han descubierto que el problema del pársec final sólo puede resolverse si las partículas de materia oscura interactúan a un ritmo que pueda alterar la distribución de la materia oscura a escalas galácticas.

Fuente: Physical Review Letters