Cómo agujeros negros se hicieron supermasivos sobre materia oscura

Físicos del Brookhaven National Laboratory de EEUU sugieren que el universo primitivo experimentó una transición de fase que propició agujeros negros supermasivos en un sector oscuro del cosmos.

   Los agujeros negros se encuentran entre los misterios más fascinantes del universo. Nada, ni siquiera la luz, puede escapar de un agujero negro. Y en el centro de casi todas las galaxias hay un agujero negro supermasivo que es de millones a miles de millones de veces más masivo que el sol. Comprender los agujeros negros y cómo se vuelven supermasivos podría arrojar luz sobre la evolución del universo.

   En un artículo publicado en Physical Review Letters, los físicos teóricos Hooman Davoudiasl, Peter Denton y Julia Gehrlein describen una transición de fase cosmológica que facilitó la formación de agujeros negros supermasivos en un sector oscuro del universo.

   Una transición de fase cosmológica es similar a un tipo de transición de fase más familiar: hacer hervir el agua. Cuando el agua alcanza la temperatura correcta, estalla en burbujas y vapor. Imagina ese proceso teniendo lugar con un estado primordial de la materia. Luego, cambia el proceso a la inversa para que tenga un efecto de enfriamiento y amplíelo a la escala del universo.

   "Antes de que existieran las galaxias, el universo era caliente y denso, y eso está bien establecido. Cómo se enfrió el universo hasta lo que observamos hoy es un tema de interés porque no tenemos datos experimentales que describan cómo sucedió", dijo en un comunicado Peter Denton. "Podemos predecir lo que sucedió con las partículas conocidas porque interactúan con frecuencia. Pero, ¿qué pasa si hay partículas aún no conocidas que funcionan de manera diferente?"

   Para explorar esta pregunta, el equipo de Brookhaven desarrolló un modelo para un sector oscuro del universo, donde abundan las partículas aún por descubrir y rara vez interactúan. Entre estas partículas podría estar la materia oscura ultraligera, que se prevé que sea 28 órdenes de magnitud más ligera que un protón. La materia oscura nunca se ha observado directamente, pero los físicos creen que constituye la mayor parte de la materia del universo en función de sus efectos gravitacionales.

   "La frecuencia de las interacciones entre partículas conocidas sugiere que la materia, tal como la conocemos, no se habría colapsado en agujeros negros de manera muy eficiente", dijo Denton. "Pero, si hubiera un sector oscuro con materia oscura ultraligera, el universo primitivo podría haber tenido las condiciones adecuadas para una forma muy eficiente de colapso".

   Observaciones recientes han sugerido que se formaron agujeros negros supermasivos en el universo primitivo, mucho antes de lo que los físicos pensaban anteriormente. Este hallazgo deja poco tiempo para explicar el crecimiento de los agujeros negros supermasivos. Los físicos saben que los agujeros negros adquieren masa principalmente por dos medios.

 Una forma, llamada acreción, es cuando la materia, en su mayoría polvo, cae en agujeros negros. Pero hay un límite a la velocidad a la que la materia puede acumularse en los agujeros negros a través de la acreción.

La segunda forma es a través de colisiones galácticas, durante las cuales dos agujeros negros pueden fusionarse; sin embargo, en el universo primitivo, las galaxias recién comenzaban a formarse. Por lo tanto, los físicos se han quedado preguntándose cómo estas antiguas maravillas cosmológicas se hicieron tan masivas tan rápidamente. Las partículas ultraligeras de materia oscura podrían ser la pieza que falta.

   "Teorizamos sobre cómo las partículas en el sector oscuro podrían sufrir una transición de fase que permite que la materia colapse de manera muy eficiente en agujeros negros", dijo Denton. "Cuando la temperatura del universo es la correcta, la presión puede caer repentinamente a un nivel muy bajo, lo que permite que la gravedad tome el control y la materia se colapse. Nuestra comprensión de las partículas conocidas indica que este proceso normalmente no sucedería".

   Tal transición de fase sería un evento dramático, incluso para algo tan espectacular como el universo. "Estos colapsos son un gran problema. Emiten ondas gravitacionales", dijo Denton. "Esas ondas tienen una forma característica, por lo que hacemos una predicción para esa señal y su rango de frecuencia esperado".

   Los experimentos actuales de ondas gravitacionales no son lo suficientemente sensibles como para validar la teoría, pero los experimentos de próxima generación pueden detectar señales de esas ondas. Y basándose en la forma característica de las ondas, los físicos podrían reducir los detalles de la formación de agujeros negros supermasivos. Hasta entonces, los teóricos de Brookhaven continuarán evaluando nuevos datos y refinando su modelo.

 

 

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