Una nueva investigación sugiere que los agujeros negros supermasivos que existían antes de que el cosmos tuviera mil millones de años pueden haberse formado con la ayuda de la materia oscura, el material más misterioso del universo.
Desde que el Telescopio Espacial James Webb (JWST) comenzó a enviar datos a la Tierra en el verano de 2022, ha estado planteando un curioso problema al regazo de los científicos: ha encontrado agujeros negros supermasivos ya 500 millones de años después del Big Bang. Sin embargo, esto es un problema porque los procesos de fusión y alimentación que permiten que los agujeros negros alcancen masas de millones de miles de millones de veces la del Sol deberían tardar al menos mil millones de años en concretarse.
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Un mecanismo sugerido para el crecimiento temprano de los agujeros negros es el colapso directo de vastas nubes de gas y polvo para formar inmediatamente un agujero negro semilla sin el tiempo que tarda una estrella masiva en nacer, vivir su vida y luego morir.
Sin embargo, ese proceso aún requeriría estrellas que brillen sobre estas nubes de materia, proporcionándoles energía, pero eso es poco común. Demasiado raro para explicar la abundancia de los primeros agujeros negros supermasivos vistos por JWST. Es decir, a menos que haya otra fuente de energía que ayude en este proceso.
“Nuestro estudio sugiere que la materia oscura en descomposición podría remodelar profundamente la evolución de las primeras estrellas y galaxias, con efectos generalizados en todo el universo”, dijo en un comunicado el líder del equipo Yash Aggarwal de la Universidad de California, Riverside. “Ahora que el JWST revela más agujeros negros supermasivos en el universo temprano, este mecanismo puede ayudar a cerrar la brecha entre la teoría y la observación”.
¿Se desintegra la materia oscura?
La materia oscura es la misteriosa sustancia que constituye el 85% de la materia del cosmos. Sigue siendo tan curioso porque no interactúa con la luz (más exactamente, con la radiación electromagnética). Esto no sólo la hace efectivamente invisible, sino que también les dice a los científicos que la materia oscura no puede estar formada por electrones, neutrones y protones, las partículas que componen los átomos que forman las estrellas, los planetas, las lunas, nuestros cuerpos y todo lo que vemos a nuestro alrededor.
Esto ha estimulado la búsqueda de partículas más allá del modelo estándar de física de partículas. Estas partículas hipotéticas tienen una variedad de masas y posibles propiedades. Esto incluye algunos que se atraviesan entre sí como fantasmas, algunos que interactúan entre sí, intercambiando energía y otros que se descomponen en partículas más pequeñas, liberando una pequeña cantidad de energía en el proceso.
Aggarwal y su colega de la UCR, Flip Tanedo, creen que sólo se necesitaría energía equivalente a una billonésima parte de la energía de una sola batería AA para “sobrealimentar” las nubes de gas primordiales, y la desintegración de la materia oscura es capaz de proporcionar esto.
“Las primeras galaxias son esencialmente bolas de gas hidrógeno prístino cuya química es increíblemente sensible a la inyección de energía a escala atómica”, dijo Tanedo. “Éstas son las propiedades que queremos para un detector de materia oscura; la firma de estos ‘detectores’ podrían ser los agujeros negros supermasivos que vemos hoy”.
El trabajo del equipo también les permitió precisar un rango de masa hipotético de entre 24 y 27 electronvoltios para partículas de materia oscura capaces de provocar la creación de agujeros negros de colapso directo que podrían dar una ventaja al crecimiento de agujeros negros supermasivos. La conclusión del equipo surge de una serie de coincidencias muy felices que les ayudan a reunir la combinación adecuada de físicos de partículas, cosmólogos y astrofísicos para formular una teoría de la coincidencia cósmica.
“Hemos demostrado que un entorno adecuado de materia oscura puede ayudar a que la ‘coincidencia’ de un colapso directo de los agujeros negros sea mucho más probable”, dijo Tanedo. “De la misma manera, el apoyo al trabajo interdisciplinario ayudó a que la ‘coincidencia’ que condujo a este trabajo fuera posible”.
La investigación del equipo fue publicada el martes (14 de abril) en el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.