Los astrofísicos resuelven el antiguo «problema del parsec final».

Los investigadores han relacionado la enorme masa Agujero negro La combinación con interacciones de materia oscura resolvería un problema astronómico de larga data y proporcionaría nuevos conocimientos sobre la naturaleza de la materia oscura y su papel en el universo.

Los investigadores han descubierto un vínculo entre algunos de los objetos más grandes y más pequeños del universo: los agujeros negros supermasivos y las partículas de materia oscura.

Sus nuevos cálculos revelan que pares de agujeros negros supermasivos (SMBH) pueden fusionarse en un solo agujero negro más grande debido al comportamiento previamente ignorado de las partículas de materia oscura, lo que sugiere una solución al «problema final» de larga data. un parsec Un «problema» en astronomía.

La investigación fue descrita en un estudio publicado recientemente en la revista Cartas de revisión de materiales.

Solución al problema final del parsec.

En 2023, los astrofísicos anunciaron el descubrimiento de un «zumbido». ondas gravitacionales Plantearon la hipótesis de que esta señal de fondo procedía de millones de pares de agujeros negros supermasivos fusionándose, cada uno de ellos miles de millones de veces más masivo que nuestro Sol.

Sin embargo, simulaciones teóricas han demostrado que cuando pares de estos cuerpos celestes gigantes se aproximan entre sí en espiral, su aproximación se detiene cuando la distancia entre ellos es de aproximadamente un parsec (una distancia de unos tres años luz), evitando así una fusión.

Simulación de la luz emitida por un sistema binario de un agujero negro supermasivo donde el gas circundante es ópticamente delgado (transparente). Se ve desde un ángulo de inclinación de 72 grados, o en un ángulo parcial por encima del plano del disco. La luz emitida representa todas las longitudes de onda. Crédito de la imagen: NASACentro de vuelos espaciales Goddard/Scott Noble; Datos de simulación, Dascoli et al. 2018

Este «problema del parsec final» no sólo estaba en desacuerdo con la teoría de que la fusión de agujeros negros supermasivos era la fuente del fondo de ondas gravitacionales, sino que también estaba en desacuerdo con la teoría de que los agujeros negros supermasivos surgen de la fusión de agujeros negros menos masivos.

«Demostramos que incluir el efecto de la materia oscura, previamente ignorado, puede ayudar a los agujeros negros supermasivos a superar este parsec», dice Gonzalo Alonso Álvarez, uno de los autores del artículo, becario postdoctoral en el Departamento de Física de la Universidad de Toronto y en el Departamento de Física y el Instituto Espacial Trottier de la Universidad McGill. La separación y fusión astral final. «Nuestros cálculos explican cómo pudo suceder esto, al contrario de lo que se pensaba hasta ahora».

Los coautores de este artículo incluyen al profesor James Klein de la Universidad McGill. CERN Departamento de Física Teórica de Suiza y Caitlin Dewar, estudiante de Maestría en Ciencias en Física de la Universidad McGill.

El papel de la materia oscura en las fusiones de agujeros negros

Se cree que los agujeros negros supermasivos están ubicados en los centros de la mayoría de las galaxias, y cuando dos galaxias chocan, los agujeros negros supermasivos caen en órbitas alrededor del otro. A medida que los agujeros negros supermasivos orbitan entre sí, la atracción gravitacional de las estrellas cercanas los atrae y los ralentiza. Como resultado, los agujeros negros supermasivos giran hacia adentro y se fusionan.

Modelos de fusión anteriores han demostrado que cuando los agujeros negros supermasivos se acercan a aproximadamente un parsec, comienzan a interactuar con la nube de materia oscura o corona en la que residen. Observó que la gravedad de los agujeros negros supermasivos en espiral expulsa partículas de materia oscura fuera del sistema, y ​​la escasez resultante de materia oscura significa que no se deriva energía del par y que sus órbitas mutuas ya no se contraen.

Si bien esos modelos descartaron la influencia de la materia oscura en las órbitas de los agujeros negros supermasivos, el nuevo modelo desarrollado por Alonso Álvarez y sus colegas revela que las partículas de materia oscura interactúan entre sí de tal manera que no se dispersan. La densidad del halo de materia oscura sigue siendo lo suficientemente alta como para que las interacciones entre partículas y agujeros negros supermasivos sigan deteriorando las órbitas de los agujeros negros supermasivos, allanando el camino para las fusiones.

Efectos sobre las ondas gravitacionales y la materia oscura.

“La posibilidad de que las partículas de materia oscura interactúen entre sí es una suposición que hicimos, y es un elemento adicional que no todos los modelos de materia oscura contienen”, dice Alonso Álvarez. “Nuestro argumento es que sólo los modelos que contienen este elemento son capaces. para resolver el problema final del pársec”.

El fondo acústico generado por estas colisiones cósmicas masivas consiste en ondas gravitacionales con longitudes de onda mucho más largas que las que se encuentran en el universo. Fue descubierto por primera vez en 2015. Por astrofísicos que trabajan en el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (Lego). Estas ondas gravitacionales fueron creadas por la fusión de dos agujeros negros, aproximadamente 30 veces la masa del Sol.

Estos sonidos de fondo han sido observados en los últimos años por científicos que trabajan en la sincronización de los púlsares. El dispositivo detecta ondas gravitacionales midiendo diferencias sutiles en las señales de los púlsares, que son estrellas de neutrones que giran rápidamente y emiten potentes pulsos de radio.

«Una predicción de nuestra propuesta es que el espectro de ondas gravitacionales observado por… Púlsar «Las matrices de temporización deberían atenuarse en bajas frecuencias», afirma Klein. «Los datos actuales ya indican este comportamiento, y es posible que nuevos datos puedan confirmarlo en los próximos años».

Además de proporcionar información sobre las fusiones de materia oscura en el infrarrojo y la señal de fondo de las ondas gravitacionales, el nuevo resultado también proporciona una ventana a la naturaleza de la materia oscura.

“Nuestro trabajo es una nueva forma de ayudarnos a comprender la naturaleza de las partículas de la materia oscura”, afirma Alonso Álvarez. “Hemos descubierto que la evolución de las órbitas de los agujeros negros es muy sensible a la microfísica de la materia oscura y esto significa que podemos utilizar observaciones. de fusiones de agujeros negros supermasivos para comprender mejor estas partículas”.

Por ejemplo, los investigadores descubrieron que las interacciones entre las partículas de materia oscura que modelaron también explican las formas de los halos de materia oscura galáctica.

«Descubrimos que el problema final del parsec sólo puede resolverse si las partículas de materia oscura interactúan a un ritmo capaz de cambiar la distribución de la materia oscura en escalas galácticas», dice Alonso Álvarez. «Esto fue inesperado debido a las escalas físicas en las que ocurren los procesos. están separados por tres o más órdenes de magnitud”. «El tamaño es emocionante».

Referencia: “La materia oscura que interactúa automáticamente resuelve el problema final del parsec para las fusiones de agujeros negros supermasivos” por Gonzalo Alonso Álvarez y James M. Klein y Caitlin Dewar, 9 de julio de 2024, Cartas de revisión de materiales.
doi: 10.1103/PhysRevLett.133.021401

El estudio fue financiado por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá.