Materia oscura en las cercanías de un agujero negro supermasivo

• Título: Flaring of tidally compressed dark-matter clumps
• Autores: Yacine Ali-Haimoud, Ely Kovetz and Joseph Silk
• Institución del primer autor: Johns Hopkins University, USA.
• Estado del trabajo: Por ser enviado a Physical Review D.

Una de las grandes interrogantes actuales sobre nuestro Universo es la naturaleza de la materia oscura. Sabemos que constituye aproximadamente el 85% de la materia, pero ¿de qué tipo de materia se trata? La idea que goza de mayor popularidad, es que la materia oscura es un tipo de partícula subatómica que aún no ha sido observada en los aceleradores de partículas. Los cosmólogos intentan caracterizarla a través de otros métodos, por ejemplo, el fenómeno de lentes gravitacionales. El artículo que resumimos hoy propone una nueva manera de detectar y caracterizar a la materia oscura: a través de señales de su aniquilación cuando pasa cerca de un agujero negro supermasivo.

Figura 1. Un cúmulo de materia oscura en la simulación del milenio. La barra en la parte inferior izquierda de la imagen muestra el tamaño típico de un cúmulo de galaxias, pero claramente hay grumos de escalas mucho menores. Crédito: Millennium simulation, Springel et al. (2005).

Es posible que la materia oscura sea “auto-aniquilante”. Esto quiere decir que dos partículas de materia oscura pueden encontrarse y aniquilarse en regiones de alta densidad, emitiendo luz (rayos gamma de alta energía) como resultado. También podrían producirse partículas cargadas, como electrones o positrones. Otra propiedad de la materia oscura es que no se distribuye uniformemente en el universo. De hecho, tiende a amontonarse en cúmulos de distintos tamaños: desde los gigantescos cúmulos galaxias hasta pequeños grumos. En la figura de la derecha (Figura 1) se puede ver un pequeño volumen que es parte de la simulación del milenio, una simulación que mapea la distribución de materia oscura en un universo como el nuestro. La barra inferior izquierda indica el tamaño típico de las mayores aglomeraciones de materia oscura existentes: los cúmulos de galaxias. Pero claramente, la materia oscura también se aglutina también en grumos más pequeños.

Estos grumos (en inglés, “clumps”) pueden ser atraídos hacia el centro de una galaxia. Es frecuente que las galaxias cuenten con agujeros negros supermasivos en su centro, objetos donde la gravedad es tan fuerte que ni siquiera la luz que entra puede escapar. Por ejemplo, se estima que el agujero negro en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, tiene una masa equivalente a la de 4 millones de veces la masa del Sol. ¿Qué puede hacer un grumo indefenso de materia oscura ante la inevitable cercanía de tal monstruo?

Los autores de este artículo estiman que un grumo de materia oscura pasando por las cercanías de un agujero negro supermasivo sufriría una deformación como la que se muestra en la Figura 2. A medida que el grumo de materia oscura se acerca al agujero negro, las fuerzas de marea tienden a elongar el grumo en en plano de la órbita y a comprimirlo en la dirección perpendicular al plano orbital.  La mayor compresión no necesariamente ocurre en el instante de mayor cercanía (el pericentro): depende, de hecho, de los parámetros orbitales. Cuando esto ocurre, la densidad del grumo aumenta radicalmente en ciertas regiones. Como la tasa de aniquilación de materia oscura depende de la densidad (¡de manera cuadrática!), en ese mismo instante la materia oscura empieza a aniquilarse con mucha eficiencia. Esto puede llevar a varias consecuencias observables.

Figura 2. La deformación sufrida por un grumo de materia oscura cuando pasa por las cercanías de un agujero negro supermasivo. El grumo empieza siendo circular arriba a la izquierda, pero comienza a elongarse a medida que se acerca al agujero negro (el punto negro en el centro del círculo amarillo). Luego continúa su camino, pero la elongación persiste. Para esta solución en particular, se eligieron ciertos parámetros para la órbita del grumo y la zona de influencia de las mareas debidas al agujero negro. Figura 4 de Ali-Haimoud et al.

El aumento de la tasa de aniquilación produciría una explosión de rayos gamma, los cuales podrían ser detectados con telescopios como el telescopio espacial Fermi. De hecho, explosiones de este tipo ya han sido detectadas por Fermi. Mientras que algunas explosiones han sido asociadas a objetos previamente identificados, se desconoce el origen de otras. Podría tratarse de materia oscura, pero también podrían deberse a otros fenómenos astrofísicos. Esto podría ponerse a prueba sabiendo que en el caso de la materia oscura: 1) los eventos deberían distribuirse uniformemente en el cielo (después de todo, el Universo es homogéneo a gran escala); 2) todos los eventos deberían mostrar una dependencia universal con la energía (ya que todos se deberían a la aniquilación de materia oscura) y 3) el rango de duraciones y decaimiento con el tiempo de la emisión de rayos gamma deberían coincidir con las predicciones de estos autores.

Por otro lado, si la aniquilación produce partículas cargadas, como electrones o positrones, éstas pueden interactuar con el campo magnético de una galaxia, generando radiación de sincrotrón que podría ser observada por radio telescopios actuales. El pasaje del grumo de materia oscura cerca del agujero negro y su deformación repentina también podría producir ondas gravitacionales, perturbaciones en el espacio-tiempo que podrían ser detectadas con experimentos como AdvancedLIGO o AdvancedVIRGO.

Estos prospectos son emocionantes y seguramente motivarán simulaciones detalladas no sólo de la deformación de los grumos de materia oscura en la cercanía de agujeros negros supermasivos, sino también de cuán frecuentes son estos eventos y de la abundancia y propiedades de los grumos en sí (como su tamaño, densidad y concentración) a través de la evolución del universo.