La materia oscura pudo haber ayudado a crear agujeros negros supermasivos en el universo primitivo

Se necesita mucho tiempo para que se formen agujeros negros supermasivos, como el que se encuentra en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Normalmente, el nacimiento de un agujero negro requiere que una estrella gigante con la masa de al menos 50 de nuestros soles se queme (un proceso que puede tardar mil millones de años) y que su núcleo colapse sobre sí mismo.

Aun así, con sólo unas 10 masas solares, el agujero negro resultante está muy lejos del agujero negro de 4 millones de masas solares, Sagitario A*, que se encuentra en nuestra galaxia, la Vía Láctea, o del agujero negro supermasivo de mil millones de masas solares. agujeros encontrados en otras galaxias. Estos gigantescos agujeros negros pueden formarse a partir de agujeros negros más pequeños mediante acreción de gas y estrellas, y mediante fusiones con otros agujeros negros, lo que lleva miles de millones de años.

¿Por qué, entonces, el Telescopio Espacial James Webb está descubriendo agujeros negros supermasivos cerca del comienzo de los tiempos, eones antes de que se formaran? Los astrofísicos de la UCLA tienen una respuesta tan misteriosa como los propios agujeros negros: la materia oscura impidió que el hidrógeno se enfriara el tiempo suficiente para que la gravedad lo condensara en nubes lo suficientemente grandes y densas como para convertirse en agujeros negros en lugar de estrellas. El descubrimiento es publicado en el diario Cartas de revisión física.

«Qué sorprendente fue encontrar un agujero negro supermasivo con mil millones de masas solares cuando el universo mismo tiene sólo 500 millones de años», dijo el autor principal Alexander Kusenko, profesor de física y astronomía en UCLA. «Es como encontrar un coche moderno entre huesos de dinosaurio y preguntarse quién construyó ese coche en tiempos prehistóricos».

Algunos astrofísicos han postulado que una gran nube de gas podría colapsar para formar directamente un agujero negro supermasivo, ignorando la larga historia de quema, acreción y fusiones estelares. Pero hay un problema: la gravedad efectivamente juntará una gran nube de gas, pero no en una sola gran nube. En cambio, reúne secciones de gas en pequeños halos que flotan cerca uno del otro pero que no forman un agujero negro.

La razón es que la nube de gas se enfría muy rápidamente. Mientras el gas está caliente, su presión puede contrarrestar la gravedad. Sin embargo, si el gas se enfría, la presión disminuye y la gravedad puede prevalecer en muchas regiones pequeñas, que colapsan en objetos densos antes de que la gravedad tenga la oportunidad de arrastrar toda la nube hacia un solo agujero negro.

«La rapidez con la que se enfría el gas tiene mucho que ver con la cantidad de hidrógeno molecular», dijo el primer autor y estudiante de doctorado Yifan Lu. «Los átomos de hidrógeno unidos en una molécula disipan energía cuando se encuentran con un átomo de hidrógeno suelto. Las moléculas de hidrógeno se convierten en agentes refrigerantes a medida que absorben energía térmica y la irradian. Las nubes de hidrógeno en el universo primitivo tenían mucho hidrógeno molecular y el gas se enfriaba rápidamente y formó pequeños halos en lugar de grandes nubes».

Lu y el investigador postdoctoral Zachary Picker escribieron código para calcular todos los procesos posibles en este escenario y descubrieron que la radiación adicional puede calentar el gas y disociar las moléculas de hidrógeno, cambiando la forma en que se enfría el gas.

«Si se añade radiación en un determinado rango de energía, se destruye el hidrógeno molecular y se crean condiciones que impiden que las grandes nubes se fragmenten», dijo Lu.

¿Pero de dónde viene la radiación?

Sólo una porción muy pequeña de la materia del universo es la que forma nuestros cuerpos, nuestro planeta, las estrellas y todo lo demás que podemos observar. La gran mayoría de la materia, detectada por sus efectos gravitacionales sobre los objetos estelares y por la curvatura de los rayos de luz procedentes de fuentes distantes, está formada por unas pocas partículas nuevas que los científicos aún no han identificado.

Por tanto, las formas y propiedades de la materia oscura son un misterio que aún está por resolver. Aunque no sabemos qué es la materia oscura, los teóricos de las partículas han especulado durante mucho tiempo que puede contener partículas inestables que pueden descomponerse en fotones, las partículas de luz. La inclusión de esta materia oscura en las simulaciones proporcionó la radiación necesaria para que el gas permaneciera en una gran nube mientras colapsaba en un agujero negro.

La materia oscura puede estar formada por partículas que se desintegran lentamente, o puede estar formada por más de una especie de partículas: algunas estables y otras que se desintegran en tiempos tempranos. En ambos casos, el producto de la desintegración puede ser radiación en forma de fotones, que descomponen el hidrógeno molecular e impiden que las nubes de hidrógeno se enfríen demasiado rápido. Incluso la muy suave desintegración de la materia oscura produjo suficiente radiación para evitar el enfriamiento, formando grandes nubes y, finalmente, agujeros negros supermasivos.

«Esta podría ser la solución a por qué los agujeros negros supermasivos se encuentran tan temprano», dijo Picker. «Si eres optimista, también podrías leer esto como evidencia positiva de un tipo de materia oscura. Si estos agujeros negros supermasivos se formaran por el colapso de una nube de gas, tal vez la radiación adicional necesaria tendría que provenir de la física desconocida de el sector oscuro».