Solución al problema del 'pársec final' en la fusión de agujeros negros
Astrofísicos han descubierto una sorprendente conexión entre agujeros negros supermasivos y materia oscura para resolver el problema del 'pársec final' en la fusión de estos objetos celestes.
En 2023 se anunció la detección de un "zumbido" de ondas gravitacionales que permeaban el universo. Plantearon la hipótesis de que esta señal de fondo emanaba de millones de pares de agujeros negros supermasivos (SMBHs) fusionados, cada uno de ellos miles de millones de veces más masivo que nuestro Sol.
Sin embargo, las simulaciones teóricas mostraron que, a medida que los pares de estos gigantescos objetos celestes se acercan en espiral, su aproximación se detiene cuando están separados por aproximadamente un pársec (una distancia de unos tres años luz), lo que impide la fusión.
Este "problema del pársec final" no solo entraba en conflicto con la teoría de que los SMBH fusionados eran la fuente del fondo de ondas gravitacionales, sino que también estaba en desacuerdo con la teoría de que los SMBH surgen de la fusión de agujeros negros menos masivos.
Ahora, un equipo ha demostrado que los pares de SMBH pueden, de hecho, atravesar la barrera de un pársec y fusionarse en un único agujero negro más grande. Según sus nuevos cálculos, los agujeros negros supermasivos siguen acercándose entre sí debido a interacciones previamente ignoradas con partículas dentro de la vasta nube de materia oscura que los rodea.
"Mostramos que incluir el efecto previamente ignorado de la materia oscura puede ayudar a los agujeros negros supermasivos a superar este pársec final de separación y fusionarse", dice en un comunicado Gonzalo Alonso-Álvarez, autor del estudio e investigador de la Universidad de Toronto. "Nuestros cálculos explican cómo puede ocurrir eso, en contraste con lo que se pensaba anteriormente".
La investigación se describe en la revista Physical Review Letters.
Se cree que los SMBH se encuentran en los centros de la mayoría de las galaxias y, cuando dos galaxias colisionan, los SMBH caen en órbita uno alrededor del otro. A medida que giran uno alrededor del otro, la atracción gravitatoria de las estrellas cercanas los atrae y los frena. Como resultado, los SMBH giran en espiral hacia adentro, hacia una fusión.
Los modelos de fusión anteriores mostraron que cuando los SMBH se acercaban a aproximadamente un pársec, comenzaban a interactuar con la nube de materia oscura o halo en el que estaban incrustados. Indicaron que la gravedad de los SMBH en espiral expulsa las partículas de materia oscura 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 esos modelos descartaron el impacto de la materia oscura en las órbitas de los SMBH, el modelo del nuevo estudio 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 agujeros negros supermasivos sigan degradando las órbitas de los agujeros negros supermasivos, abriendo el camino a una fusión.
"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", dice Alonso-Álvarez. "Nuestro argumento es que solo los modelos con ese ingrediente pueden resolver el problema final del pársec".
El zumbido de fondo generado por estas colisiones cósmicas colosales está formado por ondas gravitacionales de longitud de onda mucho mayor que las detectadas por primera vez en 2015 por los astrofísicos que operan el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO). Esas ondas gravitacionales fueron generadas por la fusión de dos agujeros negros, ambos de unas 30 veces la masa 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 minúsculas en las señales de los púlsares, estrellas de neutrones que giran rápidamente y emiten fuertes pulsos de radio.
"Una predicción de nuestra propuesta es que el espectro de ondas gravitacionales observado por los conjuntos de cronometraje de púlsares debería suavizarse en las frecuencias bajas", dice Cline. "Los datos actuales ya insinúan este comportamiento, y nuevos datos pueden 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 abre una ventana a la naturaleza de la materia oscura.
"Nuestro trabajo es una nueva forma de ayudarnos a comprender la naturaleza de las partículas de la materia oscura", dice Alonso-Álvarez. "Descubrimos que la evolución de las órbitas de los agujeros negros es muy sensible a la microfísica de la materia oscura y eso significa que podemos usar 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.
"Hemos descubierto que el problema del parsec final solo puede resolverse si las partículas de materia oscura interactúan a un ritmo que pueda alterar la distribución de la materia oscura a escala galáctica", afirma 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. Eso es emocionante".
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