El 10 de abril del año 2019, el mundo se vio sorprendido por un logro científico sin precedentes: se dio a conocer la primera imagen directa de un agujero negro supermasivo, o más precisamente, de la región que lo rodea. La observación mostraba, con gran detalle, la parte central de la enorme galaxia M87, donde se estima la presencia de un agujero negro con una masa equivalente a varios miles de millones de veces la de nuestro Sol. La espectacular imagen reveló un brillante anillo luminoso, con una mayor intensidad en su parte inferior, y una inquietante sombra circular en el centro. La luz de ese anillo luminoso provendría de un disco de gas y polvo acelerado raudamente en su violenta caída hacia el objeto compacto. Lo más asombroso es que el aspecto de esta estructura concordaba con las predicciones de la teoría de la relatividad general. Según esta teoría, la luz generada en el disco de materia alrededor del agujero negro se curva al pasar cerca de este objeto compacto debido a su colosal gravedad. Eso permite que se vea el disco completo, incluyendo la parte que se encuentra detrás del agujero negro supermasivo. Este hito histórico fue posible gracias al Telescopio de Horizonte de Eventos (Event Horizon Telescope, EHT), una extensa red mundial de antenas receptoras de ondas de radio o radiotelescopios, que habían combinado la luz captada por cada uno para resolver, con gran detalle, el enigmático objeto.
A diferencia de los agujeros negros más pequeños, que se forman al final de la evolución de algunas estrellas y que contienen la masa de unos pocos soles, los agujeros negros supermasivos concentran cantidades descomunales de materia, alcanzando hasta miles de millones de veces la masa solar. Estos objetos compactos residen en el núcleo de las galaxias, en especial, en aquellas de mayores dimensiones como M87. El gas y polvo interestelares circundantes al agujero negro, forman un disco de material que cae tumultuosamente hacia el cuerpo central, brillando mucho especialmente en ondas de radio. Este fenómeno es lo que distingue a las llamadas “galaxias activas”. En 2022, el Telescopio de Horizonte de Eventos fue orientado hacia el supuesto agujero negro supermasivo en el núcleo de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Este objeto compacto, escondido tras numerosas capas de gas y polvo del disco galactico, se ubica en una región conocida como “Sagitario A*”, la cual es observable directamente en ondas de radio. La masa de este objeto es “modesta” comparada con la del agujero negro de M87, conteniendo “apenas” unas 4 millones de veces la masa del Sol. La nueva imagen obtenida por el EHT resultó ser llamativamente semejante a la de M87, aunque su brillo era mucho menos intenso debido a la menor cantidad de materia en su disco. De hecho, nuestra galaxia no es una galaxia activa como M87.
Imagen del entorno del supuesto agujero negro supermasivo de la Vía Láctea obtenida en 2022 con el Telescopio de Horizonte de Eventos. Debe tenerse en cuenta que esa imagen es una composicion de varias observaciones tomadas en distintos momentos y promediadas para amplificar las características del anillo. A diferencia de las “imágenes puras” obtenidas por medio de las simulaciones computacionales de este trabajo, las imágenes observadas han sido procesadas mediante filtros por lo que se ven más difusas. Otra diferencia a tener en cuenta es que, en las simulaciones se tiene en cuenta a toda la luz del espectro (luz visible, infrarroja, ultravioleta, etc.) mientras que, en las observaciones, solo se recibe luz en ondas de radio. Todas estas diferencias hacen que una comparación “uno a uno” entre las simulaciones y la imagen observada de Sagitario A* no sea completamente adecuada, aunque la similitud entre ambas es realmente asombrosa. Imagen tomada del blog del EHT.
Aún no se comprende completamente el mecanismo que forma a los agujeros negros supermasivos. Una intrigante hipótesis sobre esto fue propuesta recientemente por un equipo conformado por el doctor Carlos Argüelles (IALP, CONICET-UNLP) junto a la colaboración internacional de los doctores Jorge Rueda, Remo Ruffini y Andreas Krut (ICRANet, Italia) y se basa en la existencia de extensos halos de materia oscura. La materia oscura estaría formada porpartículas aún desconocidas pero muy abundantes en el universo, que ejercen una intensa fuerza gravitatoria, determinando la forma en que rotan las galaxias. Durante la formación de estos halos, podrían originarse altas concentraciones de materia oscura en sus regiones centrales. De esta manera, esos objetos podrían funcionar como una alternativa a los agujeros negros supermasivos, o eventualmente colapsar en uno. El mecanismo de colapso y formación de estos núcleos también fue detallado en dos artículos previos de los autores mencionados en los años 2023 y 2024.
Recientemente, en el marco de una colaboración completamente nacional, se publicaron nuevos resultados sobre esta alternativa a los agujeros negros en los centros galácticos no activos. Aunque en la comunidad científica internacional existe un amplio consenso en que los objetos ubicados en el núcleo de casi todas las galaxias son agujeros negros supermasivos, distintos grupos de investigadores han propuesto explicaciones alternativas para estos cuerpos extremos. Como ya se mencionó, la gran acumulación de materia oscura al centro de las galaxias propuesta por el equipo conformado por el Dr. Argüelles podría ser una posibilidad muy interesante para evaluar. Para probarla se debería responder a la siguiente pregunta: ¿es posible que una alta concentración de materia oscura como la propuesta, explique las imágenes capturadas por el Telescopio del Horizonte de los Eventos en el núcleo de galaxias no activas, y en particular, la observada en la Vía Láctea?
Para poner a prueba esta fascinante hipótesis, en septiembre de este año, un grupo de investigadores argentinos publicó un artículo científico en la prestigiosa revista británica “Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“, una de las publicaciones de mayor impacto global en astrofísica. Un aspecto especialmente emocionante de este trabajo es que todos sus autores son argentinos, lo cual refleja un nivel de excelencia y una colaboración sin precedentes en el ámbito científico del país. El estudio es el resultado del esfuerzo conjunto de expertos de seis instituciones científicas argentinas. Los doctores Joaquín Pelle, Oscar Reula y Federico Carrasco son miembros de la Facultad de Matemática, Astronomía, Física y Computación de la Universidad Nacional de Córdoba (FAMAF, UNC) y forman parte del Instituto de Física Enrique Gaviola (IFEG, CONICET). Los doctores Carlos Argüelles, Valentina Crespi y Martín Mestre pertenecen al Instituto de Astrofísca de La Plata (IALP, CONICET, UNLP) y son docentes de la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas y la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Nacional de La Plata (FCAG, FCE, UNLP). La doctora Florencia Vieyro es integrante del Instituto Argentino de Radioastronomía (IAR, CONICET/CIC/UNLP). El grupo de científicos se completa con la Lic. Carolina Millauro, del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires (UBA).
De izquierda a derecha: El Dr. Joaquín Pelle, el Dr. Carlos Argüelles y la Dra. Florencia Vieyro, primeros autores del trabajo.
En este trabajo, el equipo presentó simulaciones por computadora que muestran cómo la luz se curvaría, bajo efectos relativistas, alrededor de concentraciones muy altas de materia oscura. De esta manera, exploraron el escenario alternativo a los clásicos agujeros negros supermasivos, considerando la posibilidad de que en el centro de las galaxias exista una alta concentración de materia oscura, rodeada por un halo extenso de materia oscura difusa. Siguiendo la línea de investigaciones previas, propusieron que esta materia oscura estaría compuesta por fermiones, partículas con propiedades cuánticas similares a los neutrinos, pero no identificadas aún. Los modelos de materia oscura fermiónica, propuestos en trabajos previos (como en numerosos artículos del Dr. Argüelles), pueden explicar tanto la estructura a gran escala del Universo como la dinámica de rotación de diferentes tipos de galaxias. En este contexto, los núcleos de fermiones en galaxias podrían imitar la apariencia de agujeros negros supermasivos o, eventualmente, colapsar para formar tales objetos. Las simulaciones fueron realizadas por el equipo mediante un código de computadora para trazado de rayos de luz programado por el doctor Pelle, ellos demostraron que tales concentraciones de materia oscura pueden generar imágenes similares a las capturadas por el Telescopio de Horizonte de Eventos. Para ello, modelaron una galaxia semejante a la Vía Láctea, con un objeto central de cuatro millones de veces la masa del Sol y un extenso halo de materia oscura.
Este resultado que explora un escenario alternativo al de los agujeros negros supermasivos, seguramente volverá a captar la atención de la comunidad científica internacional. Justamente, una impresionante muestra del atractivo que estos modelos de halos de materia oscura desarrollados por equipos nacionales ha despertado en el mundo científico, puede encontrarse en el artículo de revisión escrito por el Premio Nobel de Física 2020, doctor Reinhard Genzel y colaboradores. Pero, más allá de esos apasionantes resultados, es motivo de orgullo destacar que esta audaz propuesta científica fue concebida y evaluada íntegramente por investigadores argentinos, quienes, a través de una eficiente cooperación, han demostrado el alto nivel y la gran capacidad de nuestros científicos.
Título del artículo: "Imaging fermionic dark matter cores at the center of galaxies"
Autores: J. Pelle (FAMAF, UNC, IFEG, CONICET), C. R. Argüelles (IALP, CONICET, FCAG, UNLP), F. L. Vieyro (IAR, CONICET/CIC, FCAG, UNLP), V. Crespi (IALP, CONICET, FCAG, UNLP) , C. Millauro (UBA), M. F. Mestre (IALP, CONICET, FCAG, UNLP), O. Reula y F. Carrasco (FAMAF, UNC, IFEG, CONICET).
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Redacción de la nota: Dr. Roberto O. J. Venero