La materia oscura podría ser responsable de enormes agujeros negros en The Dawn of Time

A medida que adquirimos una mayor capacidad para mirar más y más profundamente en el Universo, hemos encontrado algo muy sorprendente: Supermasivo agujeros negros de millones a miles de millones de veces la masa del Sol, antes de que el Universo tuviera incluso el 10 por ciento de su edad actual.

Este es un enigma cosmológico. Dado lo que sabemos sobre la tasa de crecimiento de los agujeros negros, no debería haber pasado suficiente tiempo desde la Big Bang para que crezcan tanto. Pero su presencia es innegable, por lo que algo extraño debe estar en marcha.

Según una nueva investigación, ese algo podría ser una de las cosas más extrañas del Universo: materia oscura.

“Podemos pensar en dos razones [why the early Universe black holes are so massive], ” dijo el físico y astrónomo Hai-Bo Yu de la Universidad de California Riverside

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“El agujero negro semilla, o ‘bebé’, es mucho más masivo, o crece mucho más rápido de lo que pensábamos, o ambas cosas. La pregunta que surge entonces es cuáles son los mecanismos físicos para producir un agujero negro semilla suficientemente masivo o para lograr una tasa de crecimiento lo suficientemente rápida? “

La materia oscura es uno de los mayores misterios del Universo. No sabemos qué es ni de qué está hecho. La única forma en que interactúa con la materia bariónica normal en el Universo, esa es la materia de la que está hecha todo lo que podemos ver, es gravitacionalmente.

Debido a que interactúa gravitacionalmente, podemos observar efectos gravitacionales en el Universo, como la rotación de las galaxias y la forma en que la luz se curva a lo largo de un campo gravitacional fuerte, y restar el efecto gravitacional de la materia normal para determinar el contenido de materia oscura. Y hay mucho de eso. Se estima que el 85 por ciento de toda la materia del Universo es materia oscura.

La mayoría de las galaxias residen en un halo de materia oscura; se cree que es vital para su formación. Un modelo para la formación de agujeros negros supermasivos es el colapso directo de una densa nube de gas. Yu y sus colegas se preguntaron si podría haber otra contribución.

“Este mecanismo … no puede producir un agujero negro semilla lo suficientemente masivo para acomodar agujeros negros supermasivos recientemente observados, a menos que el agujero negro semilla experimente una tasa de crecimiento extremadamente rápida”. Yu dijo.

“Nuestro trabajo proporciona una explicación alternativa: un halo de materia oscura que interactúa con sí mismo experimenta inestabilidad gravotermal y su región central colapsa en un agujero negro semilla”.

Por lo que sabemos hasta ahora, la materia oscura solo interactúa gravitacionalmente con la materia bariónica, pero es posible que pueda interactuar consigo misma.

El escenario del equipo comienza con la formación de un halo de materia oscura, que se une gravitacionalmente en el Universo temprano. El empuje hacia adentro de la gravedad competiría con el empuje hacia afuera del calor y la presión; en el caso de la materia oscura que no interactúa automáticamente, las partículas que se condensan hacia el centro del halo se acelerarían bajo el aumento de la gravedad y retrocederían bajo la presión más alta, porque no podían transferir su energía a otras partículas.

Sin embargo, las partículas de materia oscura que interactúan con ellas mismas podrían transferir energía a otras partículas, introduciendo fricción en el fluido de materia oscura en rotación. Esto haría que las partículas se ralentizaran, reduciendo el momento angular y encogiendo el halo central para que, eventualmente, colapsara bajo su propia masa para formar la semilla de un agujero negro.

A partir de este punto, la semilla podría crecer mediante la acumulación de materia bariónica, dijeron los investigadores. Y, si bien la ‘semilla’ de materia oscura puede tener una masa lo suficientemente alta como para permitir que el agujero negro crezca rápidamente, se requieren ambas formas de materia.

“En muchas galaxias, las estrellas y el gas dominan sus regiones centrales”, Yu explicó.

“Por lo tanto, es natural preguntar cómo la presencia de esta materia bariónica afecta el proceso de colapso. Demostramos que acelerará el inicio del colapso. Esta característica es exactamente lo que necesitamos para explicar el origen de los agujeros negros supermasivos en el universo temprano. . Las autointeracciones también conducen a una viscosidad que puede disipar el momento angular del halo central y ayudar aún más al proceso de colapso “.

El equipo espera que los instrumentos futuros, aún más sensibles, sean capaces de localizar galaxias del Universo temprano con un rango de brillo fuera de las capacidades de nuestros telescopios actuales.

Esto debería poder ayudar a validar su modelo, un resultado que no solo nos ayudaría a resolver el problema de los agujeros negros supermasivos del Universo temprano, sino la naturaleza misteriosa de la materia oscura.

La investigación ha sido publicada en Las cartas del diario astrofísico.

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