Los investigadores han encontrado un vínculo entre los objetos más grandes y más pequeños del universo: los agujeros negros supermasivos y las partículas de materia oscura.
Sus nuevos cálculos muestran que pares de agujeros negros supermasivos (SMBH) pueden fusionarse en un solo agujero negro masivo debido al comportamiento previamente ignorado de las partículas de materia oscura, una solución al problema de larga data en astronomía. propuesto.
La materia oscura que interactúa automáticamente resuelve el problema del último parsec de las fusiones de agujeros negros supermasivos, publicado en la revista Science este mes. cartas de examen fisico.
En 2023, los astrónomos anunciaron la detección de un “nosotros” de ondas gravitacionales que se propagan por el universo. Plantearon la hipótesis de que esta señal de fondo se origina en millones de pares fusionados de SMBH, miles de millones de veces más masivos que nuestro Sol.
Sin embargo, las simulaciones teóricas muestran que cuando pares de estos objetos celestes masivos se acercan entre sí, su acercamiento se detiene cuando están separados por un parsec (aproximadamente tres años luz), por lo que se evita la integración.
Este “problema de pársec definitivo” contradecía no sólo la teoría de que la fusión de SMBH era la fuente del fondo de ondas gravitacionales, sino también la teoría de que los SMBH crecían a partir de la fusión de agujeros negros menos masivos.
“Demostramos que incluir el efecto de la materia oscura, previamente ignorado, puede ayudar a los agujeros negros masivos a superar este parsec final de separación y fusión”, dice Gonzalo Alonso Álvarez, coautor del artículo y becario postdoctoral en el Departamento de Física de la Universidad de Pensilvania. Universidad de Toronto. y el Departamento de Física y el Instituto Espacial Trotier de la Universidad McGill. “Nuestros cálculos muestran cómo podría suceder esto, al contrario de lo que se pensaba hasta ahora”.
Los coautores del artículo incluyen al profesor James Cline de la Universidad McGill y al Departamento de Física Teórica del CERN en Suiza y a Kaitlyn Dever, Maestría en Ciencias en Física de McGill.
Se cree que los SMBH se encuentran en los centros de la mayoría de las galaxias, y cuando dos galaxias chocan, los SMBH entran en órbita entre sí. Mientras orbitan entre sí, la gravedad de las estrellas cercanas las atrae y las frena. Como resultado, las SMBH avanzan hacia la fusión.
Los modelos de fusión anteriores sugieren que cuando los SMBH alcanzan aproximadamente un parsec, comienzan a interactuar con la nube o halo de materia oscura en el que están incrustados. Señalan que la gravedad de los SMBH en rotación barre las partículas de materia oscura fuera del sistema y que la esperidad resultante de la materia oscura significa que el par pierde energía y sus órbitas mutuas no se reducen.
Si bien estos modelos descartaron los efectos de la materia oscura en las órbitas SMBH, un nuevo modelo de Alonso Álvarez y sus colegas sugiere 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 tan alta que las interacciones entre las partículas y los SMBH continúan bajando la órbita de los SMBH, despejando el camino para las fusiones.
“La posibilidad de que las partículas de materia oscura interactúen entre sí es una suposición que hicimos, un componente adicional que no todos los modelos de materia oscura contienen”, dice Alonso Álvarez. “Nuestro argumento es que sólo los modelos con este componente pueden resolver el problema definitivo del parsec”.
El fondo creado por estas colisiones cósmicas masivas está formado por ondas gravitacionales de longitud de onda muy larga, detectadas por primera vez en 2015 por astrofísicos que operan el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO). Esas ondas gravitacionales fueron creadas por la fusión de dos agujeros negros, ambos con 30 veces la masa del Sol.
Los científicos que operan Pulsar Timing Array han detectado el zumbido de fondo en los últimos años. Detecta ondas gravitacionales midiendo cambios mínimos en las señales de los púlsares, estrellas de neutrones que giran rápidamente y que emiten fuertes pulsos de radio.
“Nuestra propuesta predice que el espectro de ondas gravitacionales observadas por los sistemas de sincronización de púlsares debería suavizarse en frecuencias bajas”, afirma Kline. “Los datos existentes ya indican este comportamiento y es posible que nuevos datos puedan 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 proporciona una ventana a la naturaleza de la materia oscura.
“Nuestro trabajo es una nueva forma de ayudarnos a comprender la naturaleza particulada de la materia oscura”, afirma Alonso Álvarez. “Descubrimos que la evolución de las órbitas de los agujeros negros es muy sensible a la microfísica de la materia oscura y significa que podemos utilizar 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 de las galaxias.
“Descubrimos que el problema final del parsec sólo puede resolverse si las partículas de materia oscura interactúan a un ritmo que pueda cambiar la distribución de la materia oscura a escala galáctica”, dice Alonso Álvarez. “Esto fue inesperado porque las escalas físicas en las que ocurren los procesos están separadas por tres o más órdenes de magnitud. Esto es emocionante”.
