Astrofísicos descubren la conexión entre el agujero negro súpermasivo y la materia oscura al resolver el 'problema del parsec final'

22 de julio de 2024

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por Universidad de Toronto

Los investigadores han encontrado un vínculo entre algunos de los objetos más grandes y más pequeños en el cosmos: los agujeros negros supermasivos y las partículas de materia oscura.

Sus nuevos cálculos revelan que pares de agujeros negros supermasivos (SMBHs) pueden fusionarse en un único agujero negro más grande debido a un comportamiento previamente pasado por alto de las partículas de materia oscura, proponiendo una solución al problema de la 'parsec final' en astronomía que ha perdurado durante mucho tiempo.

La investigación se describe en 'La materia oscura auto-interactuante resuelve el problema del parsec final de las fusiones de agujeros negros supermasivos', publicado este mes en la revista Physical Review Letters.

En 2023, los astrofísicos anunciaron la detección de un 'zumbido' de ondas gravitacionales que impregnan el universo. Hipotetizaron que esta señal de fondo emanaba de millones de pares de fusión de SMBHs, cada uno miles de millones de veces más masivo que nuestro sol.

Sin embargo, las simulaciones teóricas mostraron que a medida que los pares de estos gigantescos objetos celestes se acercan entre sí, su acercamiento se estanca cuando están aproximadamente a un parsec de distancia, una distancia de unos tres años luz, impidiendo así una fusión.

No solo este 'problema del parsec final' entraba en conflicto con la teoría de que los SMBHs en fusión eran la fuente del fondo de ondas gravitacionales, sino que también estaba en desacuerdo con la teoría de que los SMBHs crecen a partir de la fusión de agujeros negros menos masivos.

'Mostramos que incluir el efecto previamente pasado por alto de la materia oscura puede ayudar a los agujeros negros supermasivos a superar este parsec final de separación y fusionarse', dice Gonzalo Alonso-Álvarez, coautor del artículo, un investigador postdoctoral en el Departamento de Física de la Universidad de Toronto y el Instituto Espacial Trottier en la Universidad de McGill. 'Nuestros cálculos explican cómo puede ocurrir eso, en contraste con lo que se pensaba anteriormente.'

Los coautores del artículo incluyen al Profesor James Cline de la Universidad de McGill y del Departamento de Física Teórica del CERN en Suiza y Caitlyn Dewar, una estudiante de maestría en física en McGill.

Se cree que los SMBHs yacen en los centros de la mayoría de las galaxias y cuando dos galaxias colisionan, los SMBHs caen en órbita uno alrededor del otro. A medida que giran alrededor uno del otro, la atracción gravitatoria de las estrellas cercanas los ralentiza. Como resultado, los SMBHs se espiralan hacia una fusión.

Modelos de fusión anteriores mostraron que cuando los SMBHs se acercaban a aproximadamente un parsec, comenzaban a interactuar con la nube o halo de materia oscura en la que estaban incrustados. Indicaban que la gravedad de los SMBHs en espiral dispersa partículas de materia oscura del sistema y la consecuente escasez de materia oscura significa que la energía no se extrae del par y sus órbitas mutuas ya no se reducen.

Mientras que esos modelos descartaron el impacto de la materia oscura en las órbitas de los SMBH, el nuevo modelo de Alonso-Álvarez y sus colegas revela que las partículas de materia oscura interactúan entre sí de tal manera que no se dispersan. La densidad del halo de materia oscura sigue siendo lo suficientemente alta para que las interacciones entre las partículas y los SMBHs continúen degradando las órbitas de los SMBH, abriendo el camino a una fusión.

'La posibilidad de que las partículas de materia oscura interactúen entre sí es una suposición que hicimos, un ingrediente adicional que no todos los modelos de materia oscura contienen', dice Alonso-Álvarez. 'Nuestro argumento es que solo los modelos con ese ingrediente pueden resolver el problema del parsec final.'

El zumbido de fondo generado por estas colosales colisiones cósmicas está compuesto por ondas gravitacionales de una longitud de onda mucho más larga que aquellas detectadas por primera vez en 2015 por astrofísicos que operaban el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO). Esas ondas gravitacionales fueron generadas por la fusión de dos agujeros negros, cada uno aproximadamente 30 veces la masa del sol.

El zumbido de fondo ha sido detectado en años recientes por científicos que operan el Array de Temporización de Púlsares. El array revela ondas gravitacionales midiendo variaciones mínimas en las señales de púlsares, estrellas de neutrones de rotación rápida que emiten fuertes pulsos de radio.

'Una predicción de nuestra propuesta es que el espectro de ondas gravitacionales observado por los array de temporización de púlsares debería ser suavizado en frecuencias bajas', dice Cline. 'Los datos actuales ya insinúan este comportamiento, y nuevos datos pueden confirmarlo en los próximos años.'

Además de proporcionar información sobre las fusiones de SBMH y la señal de fondo de ondas gravitacionales, el nuevo resultado también ofrece una visión sobre la naturaleza de la materia oscura.