La materia oscura podría haber ayudado a crear agujeros negros supermasivos al principio de los tiempos
Nuevos datos sobre la formación de agujeros negros supermasivos responden a la pregunta de cómo pudieron formarse al principio de los tiempos. El estudio ha sido publicado por astrofísicos de la UCLA en Physical Review Letters.
La formación de un agujero negro supermasivo lleva mucho tiempo. Normalmente, el nacimiento de un agujero negro ocurre cuando una estrella gigante con una masa equivalente a al menos 50 soles se quema (un proceso que puede llevar miles de millones de años) y su núcleo colapsa sobre sí mismo.
Sagitario A* es un agujero negro de cuatro millones de masas solares que se encuentra en la Vía Láctea y está muy lejos de los agujeros negros supermasivos de mil millones de masas solares que se encuentran en otras galaxias. Los agujeros negros gigantescos se forman a partir de agujeros negros más pequeños por acreción de estrellas y gas, o por fusión de agujeros negros, lo que lleva miles de millones de años.
Ahora, el telescopio espacial James Webb está descubriendo agujeros negros supermasivos cerca del comienzo de los tiempos, eones antes de que debieran haberse formado. Los astrofísicos de la UCLA creen que tienen la respuesta: la materia oscura impidió que el hidrógeno se enfriara, el tiempo suficiente para que la gravedad lo condensara en nubes densas y lo suficientemente grandes 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 solo 500 millones de años”, dijo el autor principal Alexander Kusenko, profesor de física y astronomía de la UCLA. “Es como encontrar un automóvil moderno entre huesos de dinosaurio y preguntarse quién construyó ese automóvil en tiempos prehistóricos”.
Algunos astrofísicos afirman que una gran nube de gas podría colapsar para formar directamente un agujero negro supermasivo, evitando la necesidad de que se produzcan la quema, la acreción y las fusiones estelares. Sin embargo, la gravedad unirá una gran nube de gas, pero no la convertirá en una gran nube. En cambio, reuniría secciones del gas en pequeños halos que flotarían cerca unos de otros, pero no formarían un agujero negro.
Esto se debe a que la nube de gas se enfría muy rápidamente y solo cuando está caliente puede contrarrestar la gravedad. Cuando el gas se enfría, la presión disminuye y la gravedad prevalece en regiones pequeñas, lo que hace que colapsen y formen objetos densos antes de que la gravedad tenga la oportunidad de atraer la nube hacia un único agujero negro.
“La rapidez con la que se enfría el gas tiene mucho que ver con la cantidad de hidrógeno molecular”, dijo el estudiante de doctorado y primer autor Yifan Lu. “Los átomos de hidrógeno unidos entre sí en una molécula disipan energía cuando encuentran un átomo de hidrógeno suelto. Las moléculas de hidrógeno se convierten en agentes refrigerantes a medida que absorben energía térmica y la irradian. Las nubes de hidrógeno en el universo primitivo tenían demasiado hidrógeno molecular y el gas se enfrió rápidamente y formó pequeños halos en lugar de grandes nubes”.
El investigador postdoctoral Zachary Picker y Lu crearon un código para calcular todos los procesos posibles de este escenario y descubrieron que la radiación agregada podría calentar el gas y disociar las moléculas de hidrógeno, lo que alteraría la forma en que se enfría el gas.
“Si se agrega radiación en un cierto rango de energía, se destruye el hidrógeno molecular y se crean condiciones que evitan la fragmentación de grandes nubes”, dijo Lu.
¿Pero de dónde viene la radiación?
Sólo una pequeña parte de la materia del universo constituye nuestros cuerpos, planetas y estrellas, entre otras cosas que podemos ver. La mayor parte de la materia está formada por algunas partículas nuevas, que los científicos no han podido identificar.
Las propiedades y formas de la materia oscura son un verdadero misterio que sigue sin resolverse. Si bien se sabe de qué está compuesta la materia oscura, los teóricos de partículas han especulado que podría contener partículas inestables que se desintegran en fotones (partículas de luz). La inclusión de la materia oscura en las simulaciones proporciona la radiación necesaria para que el gas permanezca en una gran nube mientras colapsa 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 de las cuales se desintegran en etapas tempranas y otras que son estables. En ambas situaciones, el producto de la desintegración podría ser radiación en forma de fotones. Esto desintegraría el hidrógeno molecular e impediría que las nubes de hidrógeno se enfríen, formando grandes nubes que luego se convertirían en agujeros negros supermasivos.
“ Esta podría ser la solución a por qué los agujeros negros supermasivos se encuentran tan pronto”, dijo Picker. “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”.