El universo está repleto de misterios que los astrónomos luchan apasionadamente para resolver. Son misterios a tan gran escala que presentan un desafío enorme a la imaginación. Sin embargo, el análisis cuidadoso de las observaciones obtenidas mediante modernos telescopios, junto con el desarrollo de modelos computacionales que simulan sistemas astronómicos cada vez más complejos, abren el camino para descifrar de a poco, cada uno de esos enigmas. Citemos algunos de estos misterios para darnos una noción de la magnitud de los mismos.
¿Cómo se formaron los agujeros negros supermasivos que habitan en el núcleo de las galaxias? Cuando se observan galaxias muy lejanas (y, por lo tanto, con la apariencia que tenían en tiempos muy remotos), resulta evidente que contienen agujeros negros supermasivos. Estos objetos desmesurados son el producto del colapso de cantidades enormes de materia que, al comprimirse hasta un tamaño pequeño (astronómicamente hablando), incrementan inmensamente su atracción gravitatoria, evitando que hasta la misma luz pueda escapar de ellos. Estos agujeros negros se distinguen de los más pequeños que resultan del final catastrófico de las estrellas de alta masa porque, precisamente, son “supermasivos”. Es decir, pueden contener en su interior miles de millones de veces la masa de nuestro Sol. A pesar de que, en sí mismos, no emiten luz, a su alrededor se acumulan enormes discos de gas y polvo que, al ir precipitándose al agujero negro, destellan poderosamente. Se los llama quásares y, en su mayoría, se los observa a distancias enormes, en lo que llamamos el “universo temprano”.
El misterio más grande relacionado con estos agujeros negros es demostrar cómo crecieron tan rápido para alcanzar sus enormes tamaños en un universo tan joven. El Telescopio Espacial James Webb ha encontrado vastas cantidades de quásares a enormes distancias que, por su inmensa emisión de energía, muestran que contienen agujeros negros supermasivos bien desarrollados, ya formados en esas etapas tempranas del universo. Si bien el mecanismo de formación de estos agujeros negros es aún desconocido, la principal hipótesis evaluada por la comunidad es que podrían originarse a partir del colapso de las primeras estrellas formadas, junto a una colosal cantidad de gas y polvo interestelar. Sin embargo, en los modelos computacionales de esas etapas de formación de los agujeros negros basadas en el colapso de materia normal, no se llegan a formar estos monstruos tan rápidamente como lo requieren las observaciones. Se necesita otra teoría para explicar sus orígenes. Un mecanismo alternativo para producirlos podría ser el colapso directo de densas regiones de gas, las cuales, bajo condiciones físicas muy específicas, colapsarían directamente en agujeros negros masivos que rápidamente crecerían hasta alcanzar los valores adecuados. Pero este mecanismo no sería suficientemente frecuente (o probable) como para explicar la presencia de tantos objetos supercompactos como los observados por el telescopio James Webb.
Citemos ahora otra incógnita aún más grande: ¡la materia oscura! Todo el universo en el que vivimos parece estar inmerso en cantidades de materia de la que no sabemos casi nada. Esa materia no emite ni absorbe luz, no interactúa con la materia convencional. Solamente interactúa gravitacionalmente, sumándose a la gravedad generada por la materia común y condicionando, de esta manera, las órbitas de las estrellas en el interior de las galaxias. ¿Qué partículas componen la materia oscura? ¡No lo sabemos!
¿Y si dijéramos que un equipo de astrónomos con presencia local ha logrado un avance importante en ambos campos? ¡Así es! Se trata del equipo integrado por el Dr. Carlos Argüelles del IALP (CONICET-UNLP) y docente de la Facultad de Ciencias Exactas (UNLP), en cooperación con los doctores Jorge Rueda y Remo Ruffini de la International Center for Relativistic Astrophysics Network (ICRANet), de Italia. Los tres investigadores publicaron recientemente un artículo indagando en estos enigmas, en la revista científica de mayor factor de impacto en la comunidad astrofísica mundial: Astrophysical Journal Letters.
El Dr. Carlos Argüelles, primer autor del artículo científico.
Ya en un artículo previo, publicado a comienzos del año 2023, este equipo de investigadores había mostrado cómo formar y hacer crecer a los agujeros negros supermasivos a partir del colapso de materia oscura. Para hacerlo, era necesario contar con núcleos densos, rodeados de halos diluidos de materia oscura, en un modelo de distribución de materia conocido como Ruffini-Argüelles-Rueda (RAR). Ellos propusieron que las partículas que formaban esta materia oscura debían ser alguna clase de “fermiones”. Los fermiones son partículas con características semejantes a los electrones o los neutrinos, con la propiedad cuántica llamada espín con valor semientero, es decir, ½ en este caso. Los fermiones requeridos debían tener masas entre 1/10 y 1/5 veces la masa del conocido electrón. Con esa clase de materia oscura, la formación de agujeros negros supermasivos se daba en corto tiempo (menos de mil millones de años), permitiendo resolver el problema de la formación de estos increíbles objetos.
En este nuevo trabajo, los investigadores se propusieron mostrar cómo y en qué condiciones se da el colapso gravitatorio a partir del núcleo de materia oscura de fermiones. También estimaron el tiempo que le tomaría al núcleo para iniciar ese colapso al ir concentrando materia, y evaluaron si las condiciones físicas requeridas para esta formación de agujeros negros supermasivos eran factibles en los entornos astrofísicos y cosmológicos que observamos. La forma que encontraron para garantizar el inicio del colapso es combinar la materia oscura propuesta con materia convencional, estimando detalladamente las proporciones requeridas para cada una. De este modo, mostraron que un agujero negro supermasivo de diez millones de veces la masa del Sol, podía ser formado a partir de este colapso en tiempos menores que mil millones de años, en ambientes con las condiciones físicas típicas de las simulaciones cosmológicas y las estimadas mediante las observaciones.
Además de dar una explicación del origen y crecimiento de los agujeros negros supermasivos, este trabajo provee una detallada descripción de las condiciones necesarias para formarlos, sin requerir procesos extraordinarios en la forma en que se acumula la materia, como demandan otros modelos. El equipo de investigación simuló la formación de agujeros negros supermasivos en diversos objetos astronómicos conocidos: en la galaxia activa (quásar) más lejana observada, en una colisión de galaxias y en los “little red dots” (pequeños puntos rojos, extrañas fuentes de luz muy compactas y lejanas descubiertas recientemente por el Telescopio Espacial James Webb).
Este trabajo brinda una mayor solidez a las teorías de formación de agujeros negros supermasivos basadas en colapsos de estructuras de materia oscura (y convencional). A su vez, arroja luz sobre la naturaleza misma de la materia oscura, dando indicios sobre su composición física. Con la conjunción de trabajos como este, las piezas del enorme y complejo rompecabezas cosmológico van comenzando a ajustarse, siempre de la mano de la astrofísica y de la física de partículas.
Título del artículo: “Baryon-induced collapse of dark matter cores into supermassive black holes”
Autores: Carlos R. Argüelles (IALP, FCE), Jorge A. Rueda (ICRANet, Italia) y Remo Ruffini (ICRANet; Italia).
Enlace al artículo: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad1490
Enlace al comunicado de prensa (en inglés):
https://www.icranet.org/communication/211223/press_release_supermassive_black-hole_eng.pdf
Redacción de la nota: Dr. Roberto O. J. Venero