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| NGC524: NGC 524 es una galaxia lenticular en la constelación de Piscis. Se encuentra a una distancia de unos 90 millones de años luz de la Tierra. Crédito: ESA/Hubble |
El acoplamiento cosmológico -un fenómeno recientemente previsto en la teoría de la gravedad de Albert Einstein- permite a los agujeros negros aumentar su masa sin consumir gas ni estrellas, según un equipo de astrofísicos de la Universidad de Hawai'i en Mānoa y de otros lugares.
"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 el Dr. Duncan Farrah, astrofísico de la Universidad de Hawai en Mānoa y autor principal de dos nuevos estudios.
"Lo que esto significa, sin embargo, no es que otras personas no hayan propuesto fuentes para la energía oscura, sino que este es el primer trabajo observacional en el que no estamos añadiendo nada nuevo al Universo como fuente para la energía oscura: los agujeros negros en la teoría de la gravedad de Einstein son la energía oscura".
"Estas nuevas mediciones, si se apoyan en más pruebas, redefinirán nuestra comprensión de lo que es un agujero negro".
En su primer estudio, publicado en la revista Astrophysical Journal, el Dr. Farrah y sus colegas determinaron cómo utilizar las mediciones existentes de los agujeros negros para buscar el acoplamiento cosmológico.
Los agujeros negros también son difíciles de observar a largo plazo. Las observaciones pueden realizarse durante unos pocos segundos o, como mucho, decenas de años, tiempo insuficiente para detectar cómo podría cambiar un agujero negro a lo largo de la vida del Universo. Ver cómo cambian los agujeros negros a 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", explica Gregory Tarlé, físico de la Universidad de Michigan.
"Luego habría que ver la misma población, o una población ancestralmente conectada, en la actualidad y volver a medir su masa. Eso es algo realmente difícil de hacer".
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, los autores se dieron cuenta de que las galaxias tenían la clave, pero era esencial elegir los tipos de galaxia adecuados.
"Había muchos comportamientos diferentes para los agujeros negros en galaxias medidos en la literatura, y no había realmente ningún consenso", dijo la Dra. 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 fósiles del ensamblaje de galaxias.
Los astrónomos creen que son el resultado final de colisiones de galaxias, de enorme tamaño y con más de billones de estrellas viejas.
Al estudiar sólo las galaxias elípticas sin actividad reciente, los investigadores pudieron argumentar que cualquier cambio en las masas de los agujeros negros de las galaxias no podía deberse fácilmente a otros procesos conocidos.
A partir de estas poblaciones, examinaron cómo había cambiado la masa de sus agujeros negros centrales a lo largo de 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.
Sin embargo, si los agujeros negros ganan masa acoplándose al Universo en expansión, entonces estas galaxias elípticas de evolución pasiva podrían revelar este fenómeno.
Los científicos descubrieron que, cuanto más retrocedían en el tiempo, menor era la masa de los agujeros negros en relación con su masa actual.
Los cambios eran importantes: 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.
En su segundo estudio, publicado en la revista Astrophysical Journal Letters, los astrofísicos investigaron 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 una goma elástica, que se estira junto con el Universo a medida que se expande", dijo el Dr. Kevin Croker, astrofísico de la Universidad de Hawai en Mānoa.
"A medida que se estira, su energía aumenta. E = mc2 de Einstein dice que la masa y la energía son proporcionales, así 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 más energía cuando se estira. En pocas palabras, eso es k", explicó el Dr. 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.
Los investigadores examinaron 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.
En 2019, este valor se predijo para los agujeros negros que contienen energía del vacío, en lugar de una singularidad.
La conclusión es profunda: los científicos ya habían demostrado que si k es 3, entonces todos los agujeros negros del Universo contribuyen colectivamente a una densidad de energía oscura casi constante, tal y como sugieren las mediciones de la energía oscura.
Los agujeros negros proceden de estrellas grandes muertas, por lo que si se sabe cuántas estrellas grandes se están creando, se puede estimar cuántos agujeros negros se están creando y cuánto crecen como resultado del acoplamiento cosmológico.
El equipo utilizó las últimas mediciones de la tasa de formación estelar más temprana proporcionadas por el telescopio espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA y descubrió que las cifras coinciden.
Los nuevos estudios proporcionan un marco para que los físicos teóricos y los astrónomos sigan probando -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.
"De confirmarse, éste sería un resultado extraordinario, que señalaría el camino hacia la próxima generación de soluciones para los agujeros negros", afirmó el Dr. Farrah.
"Esta medición, que explica por qué el Universo se está acelerando ahora, ofrece una hermosa visión de la fuerza real de la gravedad de Einstein", afirmó el Dr. Croker.
"Un coro de voces diminutas repartidas por todo el Universo pueden trabajar juntas para dirigir todo el cosmos. ¿No es genial?"
Fuentes, créditos y referencias:
Duncan Farrah et al. 2023. Observational Evidence for Cosmological Coupling of Black Holes and its Implications for an Astrophysical Source of Dark Energy. ApJL 944, L31; doi: 10.3847/2041-8213/acb704