Hacia la resolución del problema del pársec final         

Por: Universidad de Toronto.

22 de julio de 2024

Simulación de la luz emitida por un sistema binario de agujeros negros supermasivos en el que el gas circundante es ópticamente delgado (transparente). Vista sobre el plano del disco. La luz emitida representa todas las longitudes de onda. Crédito de la imagen: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA/Scott Noble; datos de simulación, d'Ascoli et al. 2018.

Los investigadores han encontrado un vínculo entre algunos de los objetos más grandes y más pequeños del cosmos: agujeros negros supermasivos y partículas de materia oscura. Sus nuevos cálculos revelan que pares de agujeros negros supermasivos (SMBH) pueden fusionarse en un único agujero negro más grande debido a un comportamiento previamente pasado por alto de las partículas de materia oscura, proponiendo una solución al antiguo “problema del pársec final” en Astronomía.

En 2023, los astrofísicos anunciaron la detección de un “zumbido” de ondas gravitacionales que permeaban el Universo. Su hipótesis era que esta señal de fondo emanaba de millones de pares de superestrellas gravitacionales fusionadas, cada una de ellas miles de millones de veces más masiva que nuestro Sol. Sin embargo, las simulaciones teóricas mostraron que a medida que 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 una fusión.

Este “problema del pársec final” no sólo entraba en conflicto con la teoría de que la fusión de agujeros negros masivos era la fuente del fondo de ondas gravitacionales, sino que también estaba en desacuerdo con la teoría de que los agujeros negros masivos crecen a partir de la fusión de agujeros negros menos masivos. “Demostramos que incluir el efecto de la materia oscura, que hasta ahora se había pasado por alto, puede ayudar a los agujeros negros supermasivos a superar este último parsec de separación y fusionarse”, afirma el coautor del artículo Gonzalo Alonso-Álvarez, investigador postdoctoral en el Departamento de Física de la Universidad de Toronto.

Se cree que los SMBH se encuentran en el centro 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. Este trabajo, ofrece una ventana amplia de posibilidades de estudio, ya que, además de proporcionar información sobre las fusiones de SBMH y la señal de fondo de las ondas gravitacionales, el nuevo resultado también proporciona una ventana a la naturaleza de la materia oscura.

Los modelos de fusión anteriores mostraron que cuando los SMBH se acercaban a una distancia de aproximadamente un pársec, comenzaban a interactuar con la nube o halo de materia oscura en el que estaban inmersos. 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.

Aunque esos modelos descartaban el impacto de la materia oscura en las órbitas de los SMBH, el nuevo modelo de Alonso-Álvarez y sus colegas 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 SMBH sigan degradando las órbitas de los SMBH, despejando el camino hacia una fusión.

Por ejemplo, los investigadores descubrieron que las interacciones entre las partículas de materia oscura que modelaron también explican las formas de los halos de materia oscura galáctica. “Hemos descubierto que el problema del pársec final sólo 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 se producen los procesos están separadas por tres o más órdenes de magnitud. Eso es emocionante”.

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