Las partículas de materia oscura podrían ser la clave del misterio de la fusión de agujeros negros supermasivos

Las partículas teóricas de materia oscura podrían explicar cómo se fusionan los agujeros negros supermasivos (SMBH, por sus siglas en inglés) en el corazón de las galaxias. La idea también podría dar sentido a algunas características inexplicables del comportamiento de la materia oscura en escalas mucho mayores.

Los agujeros negros supermasivos son fundamentales para comprender muchas de las características más importantes del universo, desde la luz de cuásares asombrosamente distantes hasta la forma en que los elementos se dispersan a través de la galaxia. Sin embargo, aún no entendemos algunos de sus comportamientos más importantes, incluida la forma en que se fusionan. El llamado «problema del parsec final» se refiere al hecho de que los modelos de fusiones de galaxias indican que las fusiones de los agujeros negros supermasivos en su núcleo no deberían ser muy raras. En cambio, los modelos sugieren que generalmente deberían acercarse hasta estar separados por unos pocos años luz, pero solo cruzar esa última brecha con una lentitud glacial.

Aunque vemos algunos ejemplos de galaxias supermasivas orbitando unas alrededor de otras, también hay muchos casos de galaxias fusionadas con una única galaxia supermasiva. Además, si las galaxias supermasivas casi nunca se fusionan, es difícil explicar cómo algunas alcanzan un tamaño tan asombroso. También hay evidencia, aunque todavía no concluyente, de un fondo de ondas gravitacionales producido por dichas fusiones que afecta el tiempo de los púlsares. De alguna manera, parece que muchos encuentran una manera de cruzar ese último pársec (3,26 años luz). Un nuevo artículo propone que las partículas de materia oscura son la clave.

Los agujeros negros estelares no se repelen entre sí como las partículas de la misma carga, por lo que una forma de que se fusionen es mediante colisiones frontales. Sin embargo, esto es demasiado raro como para explicar la distribución observada. Lo más frecuente es que caigan en una órbita mutua, al igual que sus contrapartes más pequeñas, los agujeros negros estelares. En ambos casos, la distancia decae lentamente a medida que las ondas gravitacionales se llevan parte de la energía.

Sin embargo, los SMBH son tan enormes que sus órbitas transportan cantidades fenomenales de energía. Para que esta se disperse rápidamente es necesario transferirla a la materia cercana, un proceso conocido como fricción dinámica. Inicialmente, la fricción dinámica funciona bien, pero la materia que recibe la energía transferida abandona rápidamente el área, siendo esa la consecuencia inevitable de un aumento de energía cinética. Una vez que los SMBH han despejado su vecindad de materia, la fricción dinámica se detiene. Si las ondas gravitacionales se convierten en el único método por el cual se dispersa la energía, el ritmo de aproximación se ralentizaría hasta un punto en el que las fusiones deberían tardar más en ocurrir que la edad actual del universo.

Por tanto, los físicos han razonado que debe haber algún otro proceso que disperse energía, pero su naturaleza sigue siendo un misterio. Un equipo dirigido por el Dr. Gonzalo Alonso-Álvarez, de la Universidad de Toronto, cree tener la solución.

«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 pársec de separación y a unirse», afirmó Alonso-Álvarez en un comunicado. «Nuestros cálculos explican cómo puede ocurrir esto, en contra de lo que se pensaba anteriormente».

Como no sabemos qué es la materia oscura, no podemos estar seguros de cómo se comportarán sus partículas, en particular en circunstancias tan extremas como ésta. Los modelos anteriores suponían que cualquier materia oscura que se encontrara en las proximidades de los SMBH también sería expulsada por aceleración, de modo que cuando los SMBH estuvieran separados por un pársec aproximadamente, no quedaría suficiente para provocar una mayor desintegración orbital.

Sin embargo, Alonso-Álvarez y sus coautores consideraron una alternativa: que las interacciones entre las partículas de materia oscura impidan su dispersión. «La posibilidad de que las partículas de materia oscura interactúen entre sí es una suposición que hicimos, un ingrediente adicional que no todos los modelos de materia oscura contienen», dijo Alonso-Álvarez. «Nuestro argumento es que solo los modelos con ese ingrediente pueden resolver el problema final del pársec».

Sin encontrar dichas partículas y observar cómo interactúan, el equipo no puede estar seguro de que están en lo cierto, pero hay pruebas más prácticas que aumentarían la confianza. En particular, si están en lo cierto, el extremo de baja frecuencia de las ondas gravitacionales producidas por los SMBH debería mostrar una firma específica. «Los datos actuales ya apuntan a este comportamiento, y nuevos datos podrían confirmarlo en los próximos años», dijo el coautor, el profesor James Cline de la Universidad McGill.

Las partículas de materia oscura no pueden interactuar si no existen. La mayoría de los físicos están seguros de que existen, pero nuestro fracaso a la hora de encontrar estas partículas ha llevado, en los últimos años, a una minoría que cuestiona la idea a hacerse oír. Si las ondas gravitacionales de los SMBH muestran el patrón que esperan los autores, se disiparían todas las dudas sobre la existencia de la materia oscura, incluso si todavía no pudiéramos identificar las partículas en sí.

Esta confirmación también ampliaría lo poco que sabemos sobre la materia oscura, con implicaciones más amplias. «Nuestro trabajo es una nueva forma de ayudarnos a entender la naturaleza de las partículas de la materia oscura», dijo Alonso-Álvarez. Tales interacciones afectarían la forma de los halos de materia oscura alrededor de las galaxias, haciendo que los modelos se alinearan más con la forma en que se ha visto que las galaxias se agrupan en cúmulos. «Esto fue inesperado», dijo Alonso-Álvarez, «ya que las escalas físicas en las que ocurren los procesos están separadas por tres o más órdenes de magnitud. Eso es emocionante».

El estudio es de acceso abierto en Physical Review Letters.