Los astrofísicos descubren una conexión entre el agujero negro supermasivo y la materia oscura al resolver el 'problema del parsec final'

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

Sus nuevos cálculos revelan que pares de agujeros negros supermasivos (SMBH) pueden fusionarse en un solo agujero negro más grande debido al comportamiento previamente ignorado de las partículas de materia oscura, proponiendo una solución al antiguo «problema del parsec final» en astronomía.

La investigación se describe en «La materia oscura que interactúa automáticamente resuelve el problema fundamental de los parsecs de las fusiones de agujeros negros supermasivos». Publicado este mes en el periódico Cartas de revisión física.

En 2023, los astrofísicos anunciaron la detección de un «zumbido» de ondas gravitacionales que impregnan el universo. Plantearon la hipótesis de que esta señal de fondo emanaba de millones de pares de SMBH fusionados, cada uno de ellos miles de millones de veces más masivo que nuestro sol.

Sin embargo, las simulaciones teóricas han demostrado que cuando pares de estos gigantescos objetos celestes se acercan entre sí, su aproximación se detiene cuando están aproximadamente a un parsec de distancia (una distancia de unos tres años luz), evitando así una fusión.

Este «problema del parsec final» no sólo entraba en conflicto con la teoría de que la fusión de los SMBH era la fuente de la onda gravitacional de fondo, sino que también estaba en desacuerdo con la teoría de que los SMBH crecían a partir de la fusión de agujeros negros menos masivos.

«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 coautor del artículo Gonzalo Alonso-Álvarez, investigador postdoctoral en el Departamento de Física de la Universidad de Toronto. y el Departamento de Física y el Instituto Espacial Trottier de la Universidad McGill. «Nuestros cálculos explican cómo puede ocurrir esto, a diferencia de lo que se pensaba hasta ahora».

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

Se cree que los SMBH están en el centro de la mayoría de las galaxias y cuando dos galaxias chocan, los SMBH entran en órbita entre sí. A medida que giran una alrededor de la otra, la atracción gravitacional de las estrellas cercanas las atrae y las frena. Como resultado, las SMBH se dirigen hacia una fusión.

Los modelos de fusión anteriores han demostrado que cuando los SMBH se acercan en aproximadamente un parsec, comienzan a interactuar con la nube o halo de materia oscura en el que están incrustados. Indicaron que la gravedad de los SMBH en espiral arroja las partículas de materia oscura lejos del sistema y la escasez resultante de materia oscura significa que no se extrae energía del par y sus órbitas mutuas ya no se reducen.

Si bien estos modelos rechazaban el impacto de la materia oscura en las órbitas 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 como para que las interacciones entre las partículas y los SMBH continúen degradando las órbitas de los SMBH, allanando el camino para una fusión.

«La posibilidad de que las partículas de materia oscura interactúen entre sí es una suposición que hicimos, un ingrediente extra que no todos los modelos de materia oscura contienen», afirma Alonso-Álvarez. «Nuestro argumento es que sólo los modelos con este ingrediente pueden resolver el problema definitivo del parsec».

El zumbido de fondo generado por estas colosales colisiones cósmicas está compuesto por ondas gravitacionales de longitudes de onda mucho más largas que las detectadas por primera vez en 2015 por los astrofísicos que operan el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO). Estas ondas gravitacionales fueron generadas por la fusión de dos agujeros negros, ambos con una masa de aproximadamente 30 veces la del sol.

El zumbido de fondo ha sido detectado en los últimos años por científicos que operan el Pulsar Timing Array. El conjunto revela ondas gravitacionales midiendo variaciones mínimas en las señales de los púlsares, estrellas de neutrones que giran rápidamente y que emiten fuertes pulsos de radio.

«Una predicción de nuestra propuesta es que el espectro de ondas gravitacionales observado por los conjuntos de sincronización de púlsares debería suavizarse en frecuencias bajas», dice Cline. «Los datos actuales ya sugieren este comportamiento y es posible que nuevos datos puedan confirmarlo en los próximos años».

Además de proporcionar información sobre las fusiones de SBMH y la señal de fondo de las ondas gravitacionales, el nuevo resultado también proporciona una ventana a la naturaleza 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 esto significa que podemos utilizar observaciones de fusiones de agujeros negros supermasivos para comprender mejor estas partículas».

Por ejemplo, los investigadores descubrieron que las interacciones entre partículas de materia oscura que modelaron también explican las formas de los halos de materia oscura galáctica.

«Descubrimos que el problema definitivo del parsec 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», dice Alonso-Álvarez. «Esto fue inesperado, ya que las escalas físicas en las que ocurren los procesos están separadas por tres o más órdenes de magnitud. Esto es emocionante».