Cuando, en una conferencia o en una clase, mencionamos a los agujeros negros, inmediatamente obtenemos un plus de atención por parte de los oyentes. Pareciera que los agujeros negros no solamente atraen la materia que los rodea con su enorme gravedad, sino que también ¡atraen toda nuestra curiosidad! Y si se trata de agujeros negros supermasivos ¡quedamos perplejos ante la posibilidad de que existan monstruos de tales dimensiones!

Pero empecemos por el principio. Un agujero negro es un cuerpo que ha colapsado, que ha sucumbido bajo la enorme fuerza gravitatoria de su propia masa. Su inmensa cantidad de materia, comprimida en un tamaño ridículamente pequeño, es capaz de curvar hasta el mismo espacio-tiempo, impidiendo que la luz (la más veloz de todas las partículas del universo) pueda escapar de su interior. Una vez formado, el agujero negro podrá seguir sumando la materia que encuentre en sus proximidades, aumentando aún más su colosal fuerza gravitatoria.

Si hubiera un comercial de agujeros negros, seguramente diría: "Los agujeros negros vienen en dos presentaciones: S (small o pequeño) y XL (extra large o extra grande)". Bromas aparte, diremos que los agujeros negros pequeños tienen, en su interior, masas de unas pocas decenas de veces la masa de nuestro Sol. Son objetos cuyo origen se conoce muy bien. Se forman cuando las estrellas más masivas, en su evolución final, no pueden seguir generando energía en su interior y explotan como supernovas. Si bien la mayor parte del interior estelar es dispersado por el espacio como consecuencia de estas explosiones, la región central (núcleo de la estrella original) puede colapsar y formar un agujero negro. Pero, en esta nota nos interesan los agujeros negros XL, los supermasivos, con masas inauditas que van entre decenas de millones a miles de millones de veces la masa de nuestro Sol.

Uno de los descubrimientos más sorprendentes de las últimas décadas es que cada galaxia alberga un agujero negro supermasivo en su región central. Nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, tiene uno no tan grande, con una masa de un poco más de 4 millones de masas del Sol y un tamaño ligeramente menor que la órbita del planeta Mercurio en nuestro Sistema Solar. Cuando el gas comienza a caer en dirección a un agujero negro supermasivo, se forma un disco de materia que emite enormes cantidades de luz (especialmente luz de mucha energía, como los rayos X). Esos objetos son tan brillantes que destacan aún en galaxias muy remotas (y por lo tanto, muy distantes en tiempo). Se los llama con distintos nombres según la dirección desde donde los estemos observando, por ejemplo, quásares, blázares y radio galaxias, entre otras.

Pero, ¿cómo se formaron los agujeros negros supermasivos? ¿cómo han obtenido tanta cantidad de masa? ¿y cuánto tiempo llevó construir estos monstruos? A diferencia de los agujeros negros pequeños, esas preguntas aún no tienen una respuesta clara. Los agujeros negros supermasivos deberían haberse formado del mismo material que originó a las galaxias donde se encuentran: una serie caótica de colisiones y fusiones de estrellas y una desmesurada concentración de gas. Sin embargo, hasta el momento, se ha establecido un gran debate en la comunidad científica sobre cómo construir modelos que simulen la formación de estos agujeros negros supermasivos con el colapso de materia convencional.

Resulta intrigante que estos prodigios se observen en galaxias extremadamente lejanas (como los "quásares"), las que vemos actualmente con la forma que tenían cuando el universo era mucho más jóven, de unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang. Y los modelos existentes, calculados a partir del colapso de materia (estrellas y gas), no pueden formar estos agujeros negros supermasivos tan grandes en ese "corto" tiempo. No podrían haber crecido tanto, ni tan rápido. ¿Entonces, cómo surgieron y se alimentaron estos agujeros negros para volverse, tan rápidamente, supermasivos?

Aquí es donde un equipo internacional de expertos, liderado por el Dr. Carlos Argüelles, docente de la Facultad de Ciencias Exactas de la UNLP e investigador del IALP (CONICET-UNLP), junto a investigadores de la red ICRANet (Italia), acaban de aportar una respuesta novedosa y sorprendente. Su artículo ha sido publicado recientemente por la prestigiosa revista científica Montly Notices of the Royal Astronomical Society, del Reino Unido.

En ese artículo, los astrofísicos proponen que, el colapso que inició la formación de los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias, se debió fundamentalmente a una gran concentración de materia oscura. La "materia oscura" es materia cuya naturaleza aún no se ha podido determinar ya que no se la puede observar; pero sin embargo ocupa gran parte de las galaxias y ejerce una importante influencia gravitatoria. Se supone que la materia oscura se encuentra formando "halos" o regiones extendidas aproximadamente esféricas, alrededor de las galaxias.

Según la teoría de halos de materia oscura de fermiones (partículas desconocidas pero con propiedades semejantes a los protones, neutrones o electrones) propuesta por los autores, cuando el núcleo central más comprimido de estos halos supera una masa crítica dada por la Relatividad General, se da inicio a la formación de los agujeros negros supermasivos, con una gran cantidad de masa inicial (de materia oscura). Luego, la materia convencional continuaría cayendo a estos agujeros negros ya formados, produciendo su crecimiento y los fenómenos de altas energías que mencionamos previamente.

Por primera vez, este equipo de investigadores han logrado modelar la formación de los halos de materia oscura, mostrando cómo la concentración central originaría agujeros negros de gran tamaño, dejando el resto del halo de materia oscura alrededor de la galaxia. Para hacerlo, debieron encontrar nuevas soluciones para las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General, ¡un desafío enorme! Sus modelos numéricos computacionales predicen agujeros negros iniciales con grandes masas (miles de millones de masas del Sol), formados en corto tiempo (los primeros mil millones de años del universo) y explicando así, las observaciones de los núcleos energéticos de las galaxias remotas.

Este trabajo echa luz sobre uno de los misterios más atrapantes de la ciencia actual: la formación de agujeros negros supermasivos. También abre nuevos escenarios para indagar en la naturaleza y el crecimiento de estos prodigios. Además, crea una imagen consistente para la estructura de las galaxias, compuesta por un halo extendido de materia oscura que ejerce gravedad y que condiciona el movimiento de las estrellas y nebulosas dentro de la galaxia, y un núcleo galáctico con un agujero negro supermasivo que ha sido potenciado, en su nacimiento, por la concentración de materia oscura. Sin duda alguna, un portentoso aporte a esta temática tan sorprendente, que atraerá la atención de los expertos de todo el mundo.

Título del artículo: "On the growth of supermassive black holes formed from the
gravitational collapse of fermionic dark matter cores"

Autores: C. R. Argüelles (IALP, FCAG), K. Boshkayev (Kazajistán), A. Krut (Italia) , G. Nurbakhyt (Kazajistán), J. A. Rueda (Italia), R. Ruffini (Italia), J. D. Uribe-Suárez (Italia, Colombia) y R. Yunis (Italia).

Enlace al artículo preliminar: https://arxiv.org/abs/2305.02430

Redacción de la nota: Dr. Roberto O. J. Venero