Astrónomos presentan una nueva explicación a los agujeros negros supermasivos en el universo

La prematura existencia de agujeros negros supermasivos en el universo temprano queda explicada por una estructura semilla de este tipo producida por el colapso de un halo de materia oscura.

Se trata de una aureola de materia invisible que rodea una galaxia o un cúmulo de ellas. Aunque nunca se detectó materia oscura en los laboratorios, los físicos siguen confiando en que existe esta misteriosa sustancia que constituye el 85% de la existente en el universo. Si la parte visible de una galaxia no estuviera incrustada en un halo de materia oscura, se desintegraría.

“Los físicos están desconcertados sobre por qué los agujeros negros supermasivos (SMBH) en el universo temprano, que se encuentran en las regiones centrales de los halos de materia oscura, crecen tan masivamente en poco tiempo”, indicó Hai-Bo Yu, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad de California Riverside, quien dirigió el estudio que aparece en Astrophysical Journal Letters.

“Es como un niño de cinco años que pesa, digamos, 90 kilos. Un niño así nos sorprendería a todos porque conocemos el peso típico de un bebé recién nacido y lo rápido que puede crecer. En lo que respecta a los agujeros negros, los físicos tienen expectativas generales sobre la masa semilla y su tasa de crecimiento. La presencia de SMBHs sugiere que estas expectativas generales fueron violadas, y requieren nuevos conocimientos. Y eso es emocionante“, sostuvo.

Un agujero negro semilla está en su etapa inicial, similar a la de un bebé en la vida de un ser humano. “Podemos pensar en dos razones -agregó Yu- El agujero negro semilla, o ‘bebé’, es mucho más masivo o crece mucho más rápido de lo que pensábamos, o ambas cosas”.

Yu planteó una nueva incógnita: “La pregunta que surge entonces es cuáles son los mecanismos físicos para producir un agujero negro semilla suficientemente masivo o lograr una tasa de crecimiento lo bastante rápida”.

“Se necesita tiempo para que los agujeros negros se vuelvan masivos mediante la acumulación de materia circundante”, afirmó el coautor Yi-Ming Zhong, investigador posdoctoral del Instituto Kavli de Física Cosmológica de la Universidad de Chicago. “Nuestro artículo muestra que si la materia oscura tiene auto-interacciones, entonces el colapso gravotermal de un halo puede conducir a un agujero negro semilla lo suficientemente masivo. Su tasa de crecimiento sería más consistente con las expectativas generales”, agregó.

En astrofísica un mecanismo popular utilizado para explicar las SMBH es el colapso de gas prístino en protogalaxias en el universo temprano. “Este mecanismo, sin embargo, no puede producir un agujero negro semilla lo suficientemente masivo para acomodar las SMBHs recién observadas, a menos que este experimente una tasa de crecimiento extremadamente rápida”, dijo Yu.

Y añadió: “Nuestro trabajo proporciona una explicación alternativa: un halo de materia oscura que interactúa con sí mismo experimenta inestabilidad gravotérmica y su región central colapsa en un agujero negro semilla”.

La hipótesis que plantea Yu y sus colegas funciona de la siguiente manera: las partículas de materia oscura primero se agrupan bajo la influencia de la gravedad y forman un halo de materia oscura. Durante la evolución de esta aureola, operan dos fuerzas en competencia, la gravedad y la presión. Mientras que la gravedad empuja las partículas de materia oscura hacia adentro, la presión las empuja hacia afuera. Si no tienen interacciones propias, entonces, a medida que la gravedad las empuja hacia el halo central, se calientan más, es decir, se mueven más rápido, la presión aumenta de manera efectiva y se recuperan. Sin embargo, en el caso de la autointeracción de la materia oscura pueden transportar el calor de esas partículas ‘más calientes’ a las cercanas más frías. Esto dificulta su recuperación.

Yu explicó que el halo central, que colapsaría en un agujero negro, tiene un momento angular, lo que significa que gira. Las autointeracciones pueden inducir viscosidad o “fricción” que disipa el momento angular. Durante el proceso de colapso, el halo central, que tiene una masa fija, se contrae en radio y se ralentiza en rotación debido a la viscosidad. A medida que continúa la evolución, el halo central finalmente colapsa en un estado singular: un agujero negro semilla. Este puede crecer más masivamente acumulando materia bariónica (o visible) circundante, como gas y estrellas.

“La ventaja de nuestro escenario es que la masa del agujero negro semilla puede ser alta, ya que se produce por el colapso de un halo de materia oscura”, sostuvo Yu. “Por lo tanto, puede convertirse en un agujero negro supermasivo en una escala de tiempo relativamente corta”, concluyó.

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