¿Qué pasaría si no hubiera un agujero negro en el centro de nuestra galaxia?

En el corazón de la Vía Láctea, algo masivo está deformando el espacio mismo. Durante décadas, el presunto culpable ha sido Sagitario A*, un agujero negro supermasivo con cuatro millones de veces la masa del sol. Las estrellas giran a su alrededor a miles de kilómetros por segundo y sus órbitas atestiguan que algo extraordinariamente denso acecha allí. Pero ahora los astrónomos se preguntan: ¿y si no es un agujero negro en absoluto?

Un nuevo estudio publicado hoy en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society propone algo bastante diferente: una masa colosal de materia oscura invisible que produce precisamente los mismos efectos gravitacionales. No es exactamente un impostor cósmico, sino una bestia completamente diferente que podría remodelar nuestra comprensión de lo que une a las galaxias.

La investigación proviene de un equipo internacional dirigido por Valentina Crespi en el Instituto de Astrofísica de La Plata en Argentina, que trabaja con colegas de Italia, Colombia y Alemania. Han construido un modelo utilizando fermiones, partículas subatómicas ligeras que, en teoría, podrían formar la misteriosa materia oscura que constituye aproximadamente el 85 por ciento de la masa del universo. En su modelo, estas partículas crean un núcleo súper denso rodeado por un vasto y difuso halo, actuando todo como una estructura unificada que podría explicar tanto el violento ballet estelar cerca del centro galáctico como la suave rotación de la materia a cientos de años luz de distancia.

Lo que hace que este trabajo sea convincente es su alcance. “Esta es la primera vez que un modelo de materia oscura ha logrado unir con éxito estas escalas tan diferentes y diversas órbitas de objetos, incluida la curva de rotación moderna y los datos de las estrellas centrales”, dice el coautor del estudio Carlos Argüelles, también en La Plata. Los intentos anteriores de reemplazar los agujeros negros con teorías alternativas generalmente fracasaron en una escala u otra; podrían explicar las órbitas estelares distantes, pero no podrían explicar las rápidas estrellas S que orbitan a pocas horas luz del centro, o viceversa.

El modelo fermiónico de materia oscura gestiona ambos. El equipo utilizó datos astrométricos de las estrellas S (particularmente S2, que completa una órbita cada dieciséis años) junto con observaciones de las fuentes G, objetos cubiertos de polvo en órbitas similares. Fundamentalmente, también incorporaron datos de la misión GAIA DR3 de la Agencia Espacial Europea, que ha mapeado meticulosamente cómo se mueven las estrellas en el halo exterior de la Vía Láctea. La misión observó una desaceleración característica en la curva de rotación de nuestra galaxia a grandes distancias, un patrón que, según los investigadores, se ajusta a su modelo de materia oscura cuando se combina con materia ordinaria en el disco y el bulbo de la galaxia.

El modelo predice algo bastante interesante sobre la estructura. Mientras que los halos tradicionales de Materia Oscura Fría se extienden siguiendo una cola de ley de potencia extendida, el modelo fermiónico produce colas de halo más estrechas y compactas. Quizás sea una diferencia sutil, pero que eventualmente podría distinguir entre teorías a medida que mejoren las observaciones.

Sin embargo, hay otra prueba que el modelo ya pasó; uno que podría haber parecido insuperable. En 2022, la colaboración del Event Horizon Telescope publicó una imagen de Sagitario A* que muestra una región central oscura rodeada por un anillo brillante. Un estudio previo de Pelle y sus colegas, también publicado en Monthly Notices, demostró que cuando un disco de acreción ilumina un núcleo de materia oscura fermiónica suficientemente denso, proyecta una característica similar a una sombra sorprendentemente similar a lo que el EHT tomó en imágenes. “Este es un punto crucial”, dice Crespi. “Nuestro modelo no sólo explica las órbitas de las estrellas y la rotación de la galaxia, sino que también es consistente con la famosa imagen de la ‘sombra del agujero negro’. El denso núcleo de materia oscura puede imitar la sombra porque desvía la luz con mucha fuerza, creando una oscuridad central rodeada por un anillo brillante”.

Los investigadores utilizaron estadísticas bayesianas para comparar su modelo fermiónico con el escenario tradicional de los agujeros negros. Descubrieron que los datos actuales sobre las estrellas interiores aún no pueden distinguir de manera decisiva entre las dos, pero el modelo de materia oscura proporciona lo que Argüelles describe como un marco unificado. “No estamos simplemente reemplazando el agujero negro con un objeto oscuro; estamos proponiendo que el objeto central supermasivo y el halo de materia oscura de la galaxia son dos manifestaciones de la misma sustancia continua”.

Esa es una gran afirmación. Un objeto, dos escalas.

Las observaciones futuras deberían ayudar a resolver las cosas. El interferómetro GRAVITY del Very Large Telescope de Chile puede proporcionar mediciones más precisas de las órbitas estelares. Y hay una firma única que buscar: anillos de fotones, una característica clave de los agujeros negros que debería estar ausente si el centro galáctico alberga un núcleo de materia oscura. La distinción puede parecer sutil, pero representa una física fundamentalmente diferente.

Ya sea que el centro de la Vía Láctea contenga o no materia oscura en lugar de un agujero negro, la investigación demuestra algo valioso (que las alternativas a los agujeros negros no tienen por qué ser vagas señales, sino que pueden hacer predicciones cuantitativas comprobables en escalas muy diferentes). A veces, en ciencia, las preguntas más productivas no tienen que ver con demostrar que algo es correcto, sino con demostrar que aún no hemos descartado las alternativas.

Enlace del estudio: https://academic.oup.com/mnras/article/546/1/staf1854/8431112