CONICET/DICYT Una investigación liderada por el científico Carlos Argüelles, investigador del CONICET en la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas de la Universidad Nacional de La Plata (FCAG, UNLP), que se publica en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, aporta resultados clave para los estudios sobre el Universo temprano.
El trabajo, que contó además entre sus autores con otro experto argentino que se desempeña actualmente en la Escuela Normal Superior de la Universidad de París, Francia, y un grupo de profesionales de la red ICRANet (International Center for Relativistic Astrophysics Network), logró hallar un nuevo mecanismo de formación de agujeros negros supermasivos –regiones del espacio-tiempo con una densa concentración de masa de la que ninguna partícula material, ni siquiera la luz, puede salir– a partir del colapso gravitacional de estructuras de alta densidad de materia oscura que podrían existir en los centros de las galaxias.
Hallar respuestas a los interrogantes sobre la manera en que se formaron inicialmente los agujeros negros supermasivos es uno de los mayores desafíos que afrontan los expertos dedicados al estudio del origen y evolución de las galaxias. Estas estructuras fueron observadas desde la etapa más temprana en la vida del Universo, unos 800 millones de años después del Big Bang –la explosión que le dio origen–, y aún no se ha logrado explicar cómo pudieron crecer tan rápido.
Los modelos estándar involucran materia bariónica normal, es decir aquella compuesta por átomos y los elementos que forman las estrellas y todos los objetos que pueden verse con el ojo humano, que colapsa por su propia gravedad para formar agujeros negros que luego deben crecer hasta volverse supermasivos. Sin embargo, el trabajo encabezado por Argüelles propone un nuevo mecanismo de formación en base a halos de materia oscura que en su centro albergan altas concentraciones de ese componente invisible y principal del Universo que podría volverse tan denso que llegaría a colapsar en un agujero negro supermasivo. De acuerdo a esto, la formación sucedería mucho más rápido que en base a otros mecanismos y eso habría permitido que se formaran los agujeros negros supermasivos en el Universo temprano, incluso antes que las galaxias que hoy habitan, contrariamente a lo que se cree en la actualidad.
“Este nuevo escenario de formación puede ofrecer una explicación natural a cómo se formaron los agujeros negros supermasivos dentro de los halos de materia oscura en el Universo temprano sin requerir una formación estelar previa o la necesidad de invocar agujeros negros ‘semilla’ con tasas de crecimiento poco realistas”, comenta Argüelles, y añade: “En un trabajo publicado el año pasado, centramos nuestra teoría en el estudio de la Vía Láctea, y pudimos demostrar que no es necesario considerar la posibilidad de un agujero negro en su núcleo para explicar las observaciones, sino que estas también son consistentes con la existencia de un núcleo de materia oscura sin colapsar en el centro del halo galáctico”.
“Es importante mencionar que hay distintos tipos de galaxias. A grandes rasgos podemos decir que se dividen en dos grupos, las activas y las no activas. Las primeras son más masivas, más grandes y se las denomina de esa forma porque emiten radiación muy intensa y eventualmente tienen jets o chorros de materia que salen disparados desde el centro de manera perpendicular al plano de la galaxia. En las no activas, como la nuestra, eso no ocurre. Nuestro modelo sugiere que en las no activas podríamos prescindir de la idea de un agujero negro supermasivo, pero en las activas la concentración de materia oscura sí habría colapsado y devenido en uno, como en el caso de la reciente detección en M87”, explica en referencia a la primera imagen que se obtuvo de un agujero negro supermasivo, que alcanza una masa de 6.500 millones de soles. Adicionalmente, el experto destaca que según el modelo, la distribución de estas configuraciones de materia oscura concentradas en el núcleo y diluidas hacia afuera pueden permanecer estables durante la vida del Universo.
Un umbral de masa crítico
Los mismos parámetros matemáticos permitieron establecer cuál es la mínima aglomeración de materia oscura necesaria para provocar el colapso que dé origen a un agujero negro supermasivo. “Hablamos de un umbral de masa crítico que debe alcanzar la estructura de materia oscura, incluyendo el halo, y por debajo del cual no hay esperanza de ocurra un agujero negro. Ese límite está en el orden de los 100 millones de masas solares, lo que se corresponde con la masa de las galaxias enanas típicas, y depende de la masa de la partícula de materia oscura que se utilizó para el estudio (un fermión neutro, cuya masa es nueve veces más liviana que la de los electrones). Nuestro modelo propone que en las galaxias enanas no se produce el colapso de materia oscura hacia un agujero negro masivo, sino que esas galaxias quedarían con un núcleo central de materia oscura que podría imitar la firma gravitacional de un agujero negro, rodeado por un halo exterior que explique sus curvas de rotación”, cierra.
Referencia:
Argüelles, C. R., Díaz, M. I., Krut, A., & Yunis, R. (2020). On the formation and stability of fermionic dark matter halos in a cosmological framework. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staa3986
