Simulan la formación de agujeros negros para echar luz sobre su origen y crecimiento

Con una trayectoria en el estudio de la formación de agujeros negros supermasivos –regiones del espacio-tiempo con una densa concentración de masa de la que ninguna partícula, ni siquiera la luz, puede salir– y su relación con la materia oscura, el investigador del CONICET en el Instituto de Astrofísica de La Plata (IALP, CONICET-UNLP) Carlos Argüelles acaba de participar en otro estudio científico recientemente publicado en la prestigiosa revista Astrophysical Journal Letters. El trabajo, realizado en colaboración con colegas del Centro Internacional de Astrofísica Relativista (ICRAnet), en Italia, muestra cómo y en qué condiciones se produciría el colapso gravitatorio del núcleo de fermiones –unas partículas similares a los neutrinos que, según este grupo de autores, se encuentran en la composición de la materia oscura–, estimando además el tiempo que llevaría la concentración de la materia hasta ese colapso.

En un artículo anterior, los mismos investigadores ya habían establecido un marco teórico para la formación y el crecimiento de los agujeros negros supermasivos a partir del colapso de materia oscura, esa masa mayoritaria del Universo compuesta por partículas que no emiten, reflejan ni absorben la luz. Para ello, proponían un modelo de distribución de la materia en las galaxias conocido como Ruffini-Argüelles-Rueda (RAR) según el cual existen núcleos densos rodeados de halos diluidos de materia oscura, donde se demostraba la existencia de soluciones con núcleos al borde del colapso gravitacional hacia un agujero negro supermasivo.

El desafío del nuevo estudio fue el de responder a tres preguntas cruciales que habían quedado abiertas: ¿Qué procesos llevan al núcleo de materia oscura a alcanzar el colapso gravitatorio?; ¿cuánto tiempo le toma a este núcleo alcanzar ese punto crítico?; y ¿son estas condiciones alcanzables en contextos astrofísicos observados? La forma que encontraron para garantizar el inicio del colapso fue combinar la materia oscura en el núcleo –aún estable– de su modelo con materia convencional, estimando detalladamente las proporciones requeridas para cada una.

“El trabajo provee una detallada descripción de las condiciones necesarias para formar los agujeros negros sin requerir procesos extraordinarios en la forma en que se acumula la materia, como demandan otros modelos. El punto clave es la gran cantidad de masa inicial provista en el núcleo de materia oscura”, explica Argüelles. Hasta ahora, la principal hipótesis evaluada por la comunidad internacional postula que los agujeros negros podrían originarse a partir del colapso de las primeras estrellas formadas, junto a una colosal cantidad de gas y polvo interestelar. Sin embargo, los modelos computacionales conocidos no pueden demostrar cómo es posible un crecimiento tan acelerado como el que muestran las observaciones. Es por esto que sigue faltando una teoría que explique sus orígenes.

Con la combinación de materia oscura compuesta por fermiones y materia convencional, Argüelles y colegas lograron un modelo que pudo mostrar cómo un agujero negro supermasivo de diez millones de veces la masa del Sol podría formarse a partir de este colapso en tiempos menores a mil millones de años, en ambientes con las condiciones físicas típicas de las simulaciones cosmológicas y las estimadas mediante las observaciones. El equipo de investigación realizó la simulación de agujeros negros supermasivos en diversos objetos astronómicos conocidos: en la galaxia activa más lejana observada, en una colisión de galaxias activas y en los little red dots  o “pequeños puntos rojos”, extrañas fuentes de luz muy compactas y lejanas descubiertas recientemente por el Telescopio Espacial James Webb.