Los científicos han estado modelando cómo los supermasivos… agujeros negros Los agujeros negros se forman cuando dos agujeros negros más pequeños se fusionan. Pero en sus simulaciones, la mayoría de los pares de agujeros negros masivos se quedan atascados orbitando uno alrededor del otro indefinidamente. Ahora, los científicos pueden haber encontrado finalmente una solución a este «problema del pársec final», y también puede ayudar a descubrir la identidad de uno de los componentes más misteriosos del universo.
En el corazón de la mayoría de las galaxias ordinarias se esconde un agujero negro supermasivo (SMBH), como el Imagen obtenida por el Event Horizon Telescope Colaboración en la galaxia M87. Esta tiene aproximadamente 6.500 millones de veces la masa del Sol, pero no siempre fue tan grande. Los astrónomos creen que los SMBH comienzan siendo mucho más pequeños y se convierten en gigantes a través de fusiones repetidas con otros agujeros negros.
La evidencia de esos gigantes en colisión llegó en 2023, cuando los científicos de la colaboración International Pulsar Timing Array anunciaron que habían encontrado un «zumbido» de fondo de ondas gravitacionales — ondas en el tejido del espacio-tiempo liberadas durante las fusiones de objetos extremadamente masivos. Los astrónomos creen que este fondo es producido por pares distantes de agujeros negros masivos que envían al espacio «zumbidos» con el eco gravitacional de sus lejanas colisiones.
Danza cósmica eterna
Los investigadores utilizan sofisticadas simulaciones por ordenador para estudiar la compleja danza de estos agujeros negros que giran en círculos. Pero hasta ahora, los modelos se han topado con un problema: cuando los agujeros negros se separan a una distancia de aproximadamente un parsec (unos 3,26 años luz), se quedan atascados y giran eternamente uno alrededor del otro.
Relacionado: Las singularidades de los agujeros negros desafían la física. Una nueva investigación podría acabar con ellas.
Esto se debe a que, para colisionar y fusionarse, los agujeros negros en espiral primero deben perder energía y disminuir su velocidad. Mientras se acercan entre sí a muchos años luz de distancia, los agujeros negros orbitan a través de nubes de gas y cúmulos estelares que desaceleran su movimiento, lo que hace que se acerquen aún más.
Pero cuando llegan al último pársec, ya no queda suficiente material para agotar su energía. En cambio, los modelos predicen que la duración de su fusión final se extiende a más de la edad actual del universo. Esto se conoce como el «problema del último pársec».
Los científicos han propuesto algunas ideas para resolver el problema. Una respuesta podría ser que un disco giratorio de materia que orbita alrededor de los agujeros negros, llamado disco de acreción, podría acelerar su caída. Simulaciones por computadora anteriores Muestran que esto reduce el tiempo a unos pocos miles de millones de años, pero eso no es suficiente para explicar el fondo observado de ondas gravitacionales o para explicar cómo los SMBH pueden crecer tanto.
Ahora, un artículo publicado en julio en la revista Cartas de revisión física sugiere una nueva forma en que los agujeros negros podrían perder esta energía restante: si la materia oscura es «autointeractuante».
«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», dijo el autor principal del estudio. Gonzalo Alonso Álvarezinvestigador postdoctoral de la Universidad de Toronto, dijo en un declaración«Nuestro argumento es que sólo los modelos con ese ingrediente pueden resolver el problema del parsec final».
A pesar de materia oscura El gas es cinco veces más abundante en el universo que la materia ordinaria, es esencialmente invisible y se sabe poco sobre sus propiedades. Por lo general, los científicos suponen que no colisiona, lo que significa que no interactúa con la materia ordinaria ni consigo mismo de ninguna manera, excepto a través de la gravedad. Pero como se sabe tan poco sobre él, los astrónomos a veces van más allá de este modelo simple.
Los físicos han considerado la materia oscura autointeractuante (SIDM) antes porque puede ayudar a explicar las estructuras de pequeña escala en las galaxias con las que la materia oscura más tradicional tiene dificultades, y porque puede ayudar a explicar la formación de Galaxias inesperadamente grandes en el universo temprano.
La atracción gravitatoria de los agujeros negros supermasivos atrae la materia oscura hasta formar una densa concentración que los astrofísicos denominan «pico». Cuando los autores del estudio utilizaron materia oscura ordinaria en sus modelos, el pico no absorbió toda la energía de los agujeros negros.
«Las puntas son incapaces de absorber el calor de fricción y se destruyen durante la fusión», explica el equipo en el artículo. La energía de los agujeros negros en órbita calienta la materia oscura, dispersándola finalmente por toda la galaxia, neutralizando así el efecto deseado sobre los agujeros negros en órbita.
Sin embargo, cuando el equipo ajustó las propiedades de la materia oscura en sus modelos para que interactuara consigo misma, descubrieron que el pico absorbía la energía sin sufrir interrupciones. Los agujeros negros continúan su movimiento en espiral hacia el interior y hacia la zona donde emiten ondas gravitacionales que los experimentos de cronometraje de púlsares pueden detectar.Pulsares —las estrellas de neutrones que giran rápidamente— emiten rayos de radiación como faros cósmicos; midiendo cuidadosamente los tiempos de llegada de sus destellos, los científicos pueden detectar pequeñas variaciones causadas por el paso de ondas gravitacionales.
En estos modelos, los agujeros negros se fusionan en menos de mil millones de años, una escala de tiempo lo suficientemente corta como para que innumerables fusiones pudieran producir el fondo de ondas gravitacionales detectado.
SIDM suaviza el espectro
Aunque todavía son teóricos, los nuevos modelos SIDM pueden ayudar a resolver otro enigma. Cuando los agujeros negros están muy separados, irradian ondas gravitacionales muy largas, como crestas de olas oceánicas muy separadas. A medida que los agujeros negros se acercan en espiral, las crestas también se acercan. Pero las mediciones de sincronización de púlsares indican que la altura de las crestas es menor cuando están más cerca unas de otras, un efecto que los astrónomos llaman «suavizado» del espectro.
No existe tal suavizado cuando se utiliza materia oscura ordinaria, pero cuando el equipo introdujo SIDM en su lugar, el pico de materia oscura no solo absorbió energía sino que también suavizó el espectro de ondas gravitacionales.
«Una predicción de nuestra propuesta es que el espectro de ondas gravitacionales observadas por los conjuntos de cronometraje de púlsares debería suavizarse en frecuencias bajas», dijo el coautor del estudio. James Cline«Los datos actuales ya apuntan a este comportamiento y es posible que nuevos datos puedan confirmarlo en los próximos años», afirmó en un comunicado el profesor de la Universidad McGill y del Departamento de Física Teórica del CERN en Suiza.
Si las futuras mediciones realizadas con conjuntos de cronometraje de púlsares confirman el suavizado del espectro de ondas gravitacionales, los científicos finalmente podrán aprender más sobre las esquivas propiedades de la materia oscura a partir del comportamiento de algunos de los gigantes más grandes del universo.
