Las partículas de materia oscura podrían ser clave para el misterio de la fusión de agujeros negros supermasivos

Si la explicación es correcta, resolvería un problema importante de la física y contribuiría sustancialmente a resolver uno aún mayor.

Mientras están rodeados de material, es fácil que los agujeros negros caigan uno hacia el otro, pero cómo cruzan el último tramo requiere algunas explicaciones, una vez que toda la materia cercana ha sido expulsada.

Crédito de imagen: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA/Scott Noble; datos de simulación, d'Ascoli et al. 2018

Las partículas teóricas de materia oscura podrían explicar cómo se fusionan los agujeros negros supermasivos (SMBH) en el corazón de las galaxias. La idea también podría dar sentido a algunas características inexplicables del comportamiento de la materia oscura a escalas mucho mayores.

Los SMBH son clave para comprender muchas de las características más importantes del universo, desde la luz de quásares asombrosamente distantes hasta la forma en que los elementos se dispersan por la galaxia. Sin embargo, todavía no entendemos algunos de sus comportamientos más importantes, incluido cómo se fusionan. El llamado “problema del parsec final” se refiere al hecho de que los modelos de fusiones de galaxias indican que las fusiones de agujeros negros supermasivos en su núcleo no deberían ser muy raras. En cambio, sugieren los modelos, normalmente deberían acercarse hasta estar a unos pocos años luz de distancia, pero sólo cruzar esa última brecha con una lentitud glacial.

Aunque vemos algunos ejemplos de SMBH orbitando entre sí, también hay muchos casos de galaxias fusionadas con un solo SMBH. Además, si las SMBH casi nunca se fusionan, es difícil explicar cómo algunas llegan a ser tan asombrosamente grandes. También hay pruebas, aunque todavía no concluyentes, de un fondo de ondas gravitacionales producido por tales fusiones que afectan la sincronización de los púlsares. Al parecer, de alguna manera muchos encuentran una manera de cruzar ese último parsec (3,26 años luz). Un nuevo artículo propone que las partículas de materia oscura son clave.

Los SMBH no se repelen entre sí como partículas de la misma carga, por lo que una forma de fusionarse es mediante colisiones frontales. Sin embargo, esto es demasiado raro para explicar la distribución observada. Con mayor frecuencia, caen en una órbita mutua, tal como lo hacen a veces sus contrapartes más pequeñas, los agujeros negros estelares. En ambos casos, la distancia disminuye lentamente debido a que las ondas gravitacionales se llevan parte de la energía.

Sin embargo, los SMBH son tan enormes que sus órbitas transportan cantidades fenomenales de energía. Para que esto se disperse rápidamente se requiere la transferencia a materia cercana, un proceso conocido como fricción dinámica. Inicialmente, la fricción dinámica funciona bien, pero la materia que recibe la energía transferida abandona rápidamente la zona, siendo esa la consecuencia inevitable de un aumento de energía cinética. Una vez que los SMBH han liberado la materia de su vecindad, la fricción dinámica se detiene. Si las ondas gravitacionales se convierten en el único método mediante el cual se dispersa la energía, el ritmo de aproximación se desaceleraría hasta un punto en el que las fusiones deberían tardar más en ocurrir que la edad actual del universo.

Por lo tanto, han razonado los físicos, debe haber algún otro proceso que disperse la energía, pero su naturaleza sigue siendo un misterio. Un equipo dirigido por el Dr. Gonzalo Alonso-Álvarez de la Universidad de Toronto cree tener la solución.

"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", dijo Alonso-Álvarez en un comunicado. "Nuestros cálculos explican cómo puede ocurrir esto, a diferencia de lo que se pensaba hasta ahora".

Como no sabemos qué es la materia oscura, no podemos estar seguros de cómo se comportarán sus partículas, especialmente en circunstancias tan extremas como ésta. Los modelos anteriores suponían que cualquier materia oscura en las proximidades de los SMBH también se aceleraría, de modo que cuando los SMBH estuvieran separados por un parsec aproximadamente no quedaría suficiente para causar una desintegración orbital mucho mayor.

Sin embargo, Alonso-Álvarez y sus coautores consideraron una alternativa: las interacciones entre las partículas de materia oscura impiden su dispersión. "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", dijo Alonso-Álvarez. "Nuestro argumento es que sólo los modelos con ese ingrediente pueden resolver el problema final del parsec".

Sin encontrar tales partículas y observarlas interactuar, el equipo no puede estar seguro de que estén en lo cierto, pero existen pruebas más prácticas que aumentarían la confianza. En particular, si tienen razón, el extremo de baja frecuencia de las ondas gravitacionales producidas por los SMBH debería mostrar una firma específica. "Los datos actuales ya insinúan este comportamiento, y es posible que nuevos datos puedan confirmarlo en los próximos años", dijo el coautor, el profesor James Cline de la Universidad McGill.

Las partículas de materia oscura no pueden interactuar si no existen. La mayoría de los físicos confían en que sí, pero nuestro fracaso en encontrar estas partículas ha llevado, en los últimos años, a una minoría que cuestiona la idea a expresarse más. Si las ondas gravitacionales SMBH muestran el patrón que esperan los autores, disiparían cualquier duda sobre la existencia de la materia oscura, incluso si todavía no pudiéramos identificar las partículas mismas.

Tal confirmación también ampliaría lo poco que sabemos sobre la materia oscura, con implicaciones más amplias. "Nuestro trabajo es una nueva forma de ayudarnos a comprender la naturaleza de las partículas de la materia oscura", dijo Alonso-Álvarez. Tales interacciones afectarían la forma de los halos de materia oscura alrededor de las galaxias, acercando los modelos a la forma en que se ha observado que las galaxias se agrupan en cúmulos. "Esto fue inesperado", dijo Alonso-Álvarez, "ya que las escalas físicas en las que ocurren los procesos están separadas por tres o más órdenes de magnitud. Eso es emocionante".

El estudio es de acceso abierto en Physical Review Letters.