Un físico de la Universidad de Michigan y sus colegas han descubierto la primera prueba de “acoplamiento cosmológico”, un fenómeno predicho en la teoría de la gravedad de Einstein que sólo es posible cuando los agujeros negros se encuentran en un universo en evolución.

Gregory Tarlé, catedrático de Física de la UM, e investigadores de la Universidad de Hawai y de otras instituciones de nueve países estudiaron los agujeros negros supermasivos situados en el corazón de galaxias antiguas e inactivas para desarrollar una descripción de los mismos que concuerda con las observaciones de la última década. Sus conclusiones se publican en dos artículos, uno en The Astrophysical Journal y otro en The Astrophysical Journal Letters.

Según el primer estudio, estos agujeros negros ganan masa a lo largo de miles de millones de años de una forma que no puede explicarse fácilmente por los procesos habituales de las galaxias y los agujeros negros, como las fusiones o la acreción de gas. Según el segundo artículo, el crecimiento de la masa de estos agujeros negros coincide con las predicciones para agujeros negros que no sólo se acoplan cosmológicamente, sino que también encierran energía del vacío, material resultante de exprimir la materia al máximo sin romper las ecuaciones de Einstein, evitando así una singularidad.

Galaxia elíptica NGC 4150 | foto ESA/Hubble

Una vez eliminadas las singularidades, el artículo muestra que la energía de vacío combinada de los agujeros negros producida en la muerte de las primeras estrellas del universo coincide con la cantidad de energía oscura medida en nuestro universo.

Realmente estamos diciendo dos cosas a la vez: que hay pruebas de que las soluciones típicas de los agujeros negros no funcionan en una escala de tiempo muy, muy larga, y que tenemos la primera fuente astrofísica propuesta para la energía oscura, dijo Duncan Farrah, astrónomo de la Universidad de Hawai y autor principal de ambos artículos.

Lo que esto significa no es que otros no hayan propuesto fuentes de energía oscura, sino que éste es el primer trabajo observacional en el que no añadimos nada nuevo al universo como fuente de energía oscura: Los agujeros negros de la teoría de la gravedad de Einstein son la energía oscura. Estas nuevas mediciones, si se apoyan en más pruebas, redefinen nuestra comprensión de lo que es un agujero negro.

Hace nueve mil millones de años

En el primer estudio, el equipo determinó cómo utilizar las mediciones existentes de los agujeros negros para buscar el acoplamiento cosmológico.

Mi interés en este proyecto nació realmente de un interés general por tratar de determinar pruebas observacionales que apoyen un modelo para los agujeros negros que funcione independientemente del tiempo que se les mire, dijo Farrah. Eso es algo muy, muy difícil de hacer en general, porque los agujeros negros son increíblemente pequeños, son increíblemente difíciles de observar directamente y están muy, muy lejos.

Los agujeros negros también son difíciles de observar a largo plazo. Las observaciones pueden durar unos segundos o, como mucho, decenas de años, tiempo insuficiente para detectar cómo puede cambiar un agujero negro a lo largo de la vida del universo. Ver cómo cambian los agujeros negros en una escala de miles de millones de años es una tarea mayor.

Habría que identificar una población de agujeros negros y determinar su distribución de masa hace miles de millones de años. Luego habría que ver la misma población, o una población ancestralmente conectada, en la actualidad y volver a ser capaz de medir su masa, explica Tarlé. Eso es algo realmente difícil de hacer.

Impresión artística de un agujero negro supermasivo | foto UH Manoa

Dado que las galaxias pueden tener una vida de miles de millones de años y que la mayoría de ellas contienen un agujero negro supermasivo, el equipo se dio cuenta de que las galaxias tenían la clave, pero era esencial elegir los tipos adecuados de galaxias.

Había muchos comportamientos diferentes para los agujeros negros en galaxias medidos en la literatura, y no había realmente ningún consenso, dijo la coautora del estudio Sara Petty, experta en galaxias de NorthWest Research Associates. Decidimos que centrándonos sólo en los agujeros negros de las galaxias elípticas de evolución pasiva, podríamos ayudar a poner orden en este asunto.

Las galaxias elípticas son enormes y se formaron muy pronto. Son como fósiles del ensamblaje de galaxias. Los astrónomos creen que son el resultado final de colisiones de galaxias, con trillones de estrellas viejas. Estas galaxias son antiguas, no forman muchas estrellas nuevas y queda muy poco gas entre esas estrellas. No hay alimento para los agujeros negros, afirma Tarlé.

Al observar únicamente galaxias elípticas sin actividad reciente, el equipo pudo argumentar que cualquier cambio en las masas de agujeros negros de las galaxias no podía deberse fácilmente a otros procesos conocidos. A partir de estas poblaciones, el equipo examinó cómo había cambiado la masa de sus agujeros negros centrales en los últimos 9.000 millones de años.

Si el crecimiento de la masa de los agujeros negros sólo se produjera por acreción o fusión, entonces no cabría esperar que las masas de estos agujeros negros cambiaran mucho. Pero si los agujeros negros ganan masa acoplándose al universo en expansión, entonces estas galaxias elípticas de evolución pasiva podrían revelar este fenómeno.

Los investigadores descubrieron que cuanto más atrás en el tiempo miraban, menor era la masa de los agujeros negros, en relación con sus masas actuales. Estos cambios fueron grandes: Los agujeros negros eran entre 7 y 20 veces más grandes hoy que hace 9.000 millones de años, lo suficiente para que los investigadores sospecharan que la causa podía ser el acoplamiento cosmológico.

Desbloquear los agujeros negros

En el segundo estudio, el equipo investigó si el crecimiento de los agujeros negros medido en el primer estudio podía explicarse únicamente por el acoplamiento cosmológico. He aquí una analogía de juguete. Se puede pensar en un agujero negro acoplado como en una goma elástica, que se estira junto con el universo a medida que se expande, explica Kevin Croker, coautor del estudio y astrofísico teórico de la Universidad de Hawai. A medida que se estira, su energía aumenta. E = mc2 de Einstein dice que la masa y la energía son proporcionales, por lo que la masa del agujero negro también aumenta.

Cuánto aumenta la masa depende de la fuerza de acoplamiento, una variable que los investigadores llaman k. Cuanto más rígida es la goma elástica, más difícil es estirarla, por lo que hay más energía cuando se estira. En pocas palabras, eso es k, explica Croker.

Dado que el crecimiento de la masa de los agujeros negros a partir del acoplamiento cosmológico depende del tamaño del universo, y el universo era más pequeño en el pasado, los agujeros negros del primer estudio deben ser menos masivos en la cantidad correcta para que la explicación del acoplamiento cosmológico funcione.

El equipo examinó cinco poblaciones diferentes de agujeros negros en tres colecciones distintas de galaxias elípticas, tomadas de cuando el universo tenía aproximadamente la mitad y un tercio de su tamaño actual. En cada comparación, midieron que k era casi positivo 3.

Caldwell 53 (NGC 3115) destaca sobre todo por el agujero negro supermasivo que se encuentra en su centro | foto NASA, ESA y J. Erwin (Universidad de Alabama)

Este valor fue predicho cuatro años antes por Croker, entonces estudiante de posgrado, y Joel Weiner, profesor de matemáticas de la Universidad de Hawai, para los agujeros negros que contienen energía del vacío en lugar de una singularidad.

La conclusión es profunda: Croker y Weiner ya habían demostrado que si k es 3, entonces todos los agujeros negros del universo contribuyen colectivamente con una densidad de energía oscura casi constante, tal y como sugieren las mediciones de la energía oscura. ¿Es suficiente? preguntó Tarlé. ¿Son suficientes los agujeros negros creados a lo largo del tiempo para explicar el 70% de la energía del universo actual?.

Los agujeros negros proceden de grandes estrellas muertas, por lo que si se sabe cuántas estrellas grandes se están formando, se puede estimar cuántos agujeros negros se están formando y cuánto crecen como resultado del acoplamiento cosmológico. Utilizando las últimas mediciones de la tasa de formación estelar más temprana proporcionadas por el telescopio espacial James Webb, el equipo descubrió que las cifras cuadran.

Los investigadores afirman que sus estudios proporcionan un marco para que los físicos teóricos y los astrónomos realicen más pruebas -y para que la actual generación de experimentos sobre energía oscura, como el Dark Energy Spectroscopic Instrument y el Dark Energy Survey- arrojen luz sobre la idea.

Si se confirma el acoplamiento cosmológico, significaría que los agujeros negros nunca se desconectan del todo de nuestro universo, que siguen ejerciendo una gran influencia en la evolución del universo en un futuro lejano, afirma Tarlé.

La cuestión de la naturaleza de la energía oscura es quizá la pregunta sin respuesta más importante de la física contemporánea. Es la mayor parte, el 70% de la energía del universo. Y ahora por fin tenemos pruebas observacionales de dónde procede, por qué el 70% y por qué está aquí ahora. Es muy emocionante.


Fuentes

University of Michigan | Duncan Farrah, Sara Petty et al., A Preferential Growth Channel for Supermassive Black Holes in Elliptical Galaxies at z ≲ 2. The Astrophysical Journal, Vol. 943, No. 2. DOI 10.3847/1538–4357/acac2e | Duncan Farrah, Kevin S. Croker et al., Observational Evidence for Cosmological Coupling of Black Holes and its Implications for an Astrophysical Source of Dark Energy. The Astrophysical Journal, Vol. 944, No. 2. DOI 10.3847/2041–8213/acb704


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