La materia oscura como ingrediente en los agujeros negros primitivos
Por: Holly Ober, Universidad de California en Los Ángeles.
27 de agosto de 2024
Una imagen del telescopio James Webb muestra el cuásar J0148 rodeado de un círculo rojo. Dos recuadros muestran, en la parte superior, el agujero negro central y, en la parte inferior, la emisión estelar de la galaxia anfitriona. Crédito de la imagen: MIT/NASA.
Los agujeros negros supermasivos, como el que se encuentra en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, tardan mucho tiempo en formarse. Normalmente, para que se formen, es necesario que una estrella gigante con una masa equivalente de al menos 50 soles se queme (un proceso que puede llevar mil millones de años) y que su núcleo colapse sobre sí mismo; sellando así la muerte estelar.
Aun así, con sólo unas 10 masas solares, el agujero negro resultante está muy lejos del agujero negro de 4 millones de masas solares, Sagitario A*, que se encuentra en nuestra galaxia, la Vía Láctea, o los agujeros negros supermasivos de mil millones de masas solares que se encuentran en otras galaxias. Estos agujeros negros gigantescos pueden formarse a partir de agujeros negros más pequeños por acreción de gas y estrellas, y por fusiones con otros agujeros negros, lo que lleva miles de millones de años.
¿Por qué, entonces, el telescopio espacial James Webb está descubriendo agujeros negros supermasivos cerca del comienzo mismo de los tiempos, eones antes de que pudieran formarse? Los astrofísicos de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) tienen una respuesta tan misteriosa como los agujeros negros mismos: la materia oscura impidió que el hidrógeno se enfriara lo suficiente para que la gravedad lo condensara en nubes lo suficientemente grandes y densas como para convertirse en agujeros negros en lugar de estrellas.
“Ha sido sorprendente encontrar un agujero negro supermasivo con mil millones de masas solares cuando el Universo en sí tiene sólo 500 millones de años”, dijo el autor principal Alexander Kusenko, profesor de física y astronomía en la UCLA. Algunos astrofísicos han postulado que una gran nube de gas podría colapsar y formar directamente un agujero negro supermasivo, evitando la larga historia de quema, acreción y fusiones estelares.
Pero hay un problema: la gravedad, de hecho, atrae a una gran nube de gas, pero no forma una gran nube. En cambio, reúne secciones del gas en pequeños halos que flotan cerca unos de otros, pero no forman un agujero negro. La razón es que la nube de gas se enfría demasiado rápido, mientras el gas esté caliente, su presión puede contrarrestar la gravedad. Sin embargo, si el gas se enfría, la presión disminuye y la gravedad puede prevalecer en muchas regiones pequeñas, que colapsan en objetos densos antes de que la gravedad tenga la oportunidad de arrastrar toda la nube hacia un solo agujero negro.
Sólo una pequeña parte de la materia del Universo es del tipo que compone nuestros cuerpos, nuestro planeta, las estrellas y todo lo que podemos observar. La gran mayoría de la materia, detectada por sus efectos gravitacionales sobre los objetos estelares y por la curvatura de los rayos de luz de fuentes distantes, está formada por algunas partículas nuevas, que los científicos aún no han identificado.
Las formas y propiedades de la materia oscura son, por tanto, un misterio que aún está por resolver. Aunque no sabemos qué es la materia oscura, los teóricos de partículas llevan mucho tiempo especulando con que podría contener partículas inestables que pueden desintegrarse en fotones, las partículas de luz. La inclusión de dicha materia oscura en las simulaciones proporcionó la radiación necesaria para que el gas permaneciera en una gran nube mientras colapsaba en un agujero negro.
La materia oscura podría estar formada por partículas que se desintegran lentamente o por más de una especie de partículas: algunas estables y otras que se desintegran en etapas tempranas. En cualquier caso, el producto de la desintegración podría ser radiación en forma de fotones, que desintegran el hidrógeno molecular y evitan que las nubes de hidrógeno se enfríen demasiado rápido. Incluso una desintegración muy leve de la materia oscura produjo suficiente radiación para evitar el enfriamiento, formando grandes nubes y, finalmente, agujeros negros supermasivos.
“Esta podría ser la solución a por qué los agujeros negros supermasivos se encuentran en etapas muy tempranas”, dijo Zachary Picker, co-autor del estudio. “Si eres optimista, también podrías leer esto como evidencia positiva de un tipo de materia oscura. Si estos agujeros negros supermasivos se formaron por el colapso de una nube de gas, tal vez la radiación adicional requerida tendría que provenir de la física desconocida del sector oscuro”.
Fuente:
https://phys.org/news/2024-08-dark-supermassive-black-holes-early.html