Según un nuevo estudio de Physical Review Letters, los agujeros negros podrían ayudar a resolver el misterio de la materia oscura. Las regiones sombrías en las imágenes de agujeros negros captadas por el Telescopio del Horizonte de Sucesos pueden actuar como detectores ultrasensibles del material invisible que compone la mayor parte de la materia del universo.
La materia oscura constituye aproximadamente el 85% de la materia del universo, pero los científicos aún desconocen su composición. Si bien los investigadores han propuesto innumerables maneras de detectarla, este estudio presenta la obtención de imágenes de agujeros negros como un nuevo método de detección, que ofrece ventajas distintivas.
Las impresionantes imágenes de agujeros negros supermasivos captadas por el Telescopio del Horizonte de Sucesos han revelado más que la geometría del espacio-tiempo; han abierto una ventana inesperada a la búsqueda de materia oscura.
Phys.org conversó con los coautores Jing Shu, de la Universidad de Pekín, y Yifan Chen, del Instituto Niels Bohr.
«Siempre me han fascinado instrumentos como el Telescopio del Horizonte de Eventos (EHT), que nos permite explorar los entornos extremos que rodean los agujeros negros supermasivos y desafiar los límites de las leyes físicas conocidas», afirmó Shu.
Chen añadió: «Me ha fascinado la idea de utilizar los agujeros negros como detectores de nuevas partículas. Su extrema gravedad los convierte en concentradores naturales de materia, creando un punto de encuentro único para la física de partículas, la gravedad y la observación astrofísica».
El equipo de investigación se centró en una característica sorprendente de las imágenes de agujeros negros: la región de sombra que aparece oscura en las observaciones del EHT de M87* y Sagitario A*.
Un cuarto oscuro cósmico
El Telescopio del Horizonte de Eventos es una red global de radioobservatorios que trabajan en conjunto para lograr una resolución similar a la de la Tierra mediante interferometría de línea de base muy larga. Trabajando a una frecuencia de 230 GHz, el telescopio capta la radiación sincrotrón: la luz que se produce cuando los electrones giran en espiral a lo largo de las intensas líneas del campo magnético cerca de los agujeros negros supermasivos.
Para comprender lo que observan, los astrofísicos realizan complejas simulaciones por computadora.
El modelo de disco magnéticamente detenido (MAD) ha mostrado consistentemente la mejor concordancia con las observaciones del EHT. El modelo MAD representa campos magnéticos intensos que penetran el disco de acreción, donde regulan el flujo de materia entrante y los chorros de energía que erupcionan perpendicularmente al disco.
Crucialmente, el modelo MAD explica por qué las sombras de los agujeros negros se ven oscuras: la mayoría de los electrones residen en el disco de acreción, mientras que las regiones de chorros por encima y por debajo son relativamente pobres en partículas, lo que crea un marcado contraste en las imágenes.
«El plasma astrofísico ordinario suele ser expulsado por chorros potentes, lo que deja la región de la sombra especialmente débil», explicó Chen. «Sin embargo, la materia oscura podría inyectar continuamente nuevas partículas que radian en esta región».
Dado que se espera que la materia oscura se concentre densamente cerca del centro del agujero negro, incluso las señales de aniquilación más débiles podrían destacar sobre este fondo astrofísico bajo, lo que convierte a la sombra en un campo de pruebas ideal.
Modelado de la materia oscura
La atracción gravitacional de los agujeros negros supermasivos provoca una concentración drástica de materia oscura en sus proximidades, formando lo que los físicos denominan «picos de materia oscura». Estas regiones alcanzan densidades órdenes de magnitud superiores a las de cualquier otro lugar de la galaxia.
Dado que las tasas de aniquilación de la materia oscura dependen del cuadrado de la densidad, estas densidades mejoradas podrían producir señales detectables, si es que la aniquilación ocurre.
El equipo de investigación desarrolló un sofisticado marco que se basa directamente en el modelo MAD, añadiendo la física de la materia oscura a la base astrofísica.
El equipo aplicó simulaciones magnetohidrodinámicas relativistas generales (GRMHD) junto con un modelado detallado de la propagación de partículas. Con este marco, pudieron modelar cómo se comportarían los electrones y positrones de una hipotética aniquilación de la materia oscura en las estructuras del campo magnético extraídas del modelo MAD.
A diferencia de estudios previos que se basaban en modelos esféricos simplificados, este enfoque utiliza las configuraciones realistas y asimétricas del campo magnético extraídas de las simulaciones MAD; los mismos campos que dan forma a la emisión astrofísica que observamos.
«Lo que vemos en las imágenes de agujeros negros no es el agujero negro en sí, sino la luz emitida por electrones ordinarios en el disco de acreción circundante, cuyo comportamiento podemos modelar utilizando física bien conocida», afirmó Shu.
Si las partículas de materia oscura se aniquilaran cerca del agujero negro, producirían electrones y positrones adicionales cuya radiación se ve ligeramente diferente a la emisión normal.
La distinción crucial surge en la distribución espacial. En el modelo MAD, los electrones se concentran en el disco de acreción con poblaciones dispersas en las regiones de chorro, lo que crea la sombra oscura.
Pero los electrones y positrones de la aniquilación de materia oscura se distribuirían de manera más uniforme tanto en las regiones del disco como del chorro, ya que la aniquilación de materia oscura suministra partículas continuamente incluso donde los procesos astrofísicos producen pocos electrones.
El equipo examinó dos canales de aniquilación (pares quark-antiquark bottom y pares electrón-positrón) en masas de materia oscura que van desde sub-GeV hasta aproximadamente 10 TeV.
Para cada escenario, calcularon la radiación de sincrotrón resultante y generaron imágenes sintéticas de agujeros negros que combinaban tanto la emisión astrofísica (de MAD) como las posibles señales de materia oscura.
Morfología como sonda
El enfoque de los investigadores para explotar la morfología de las imágenes de agujeros negros, en lugar de solo el brillo total, hace que este trabajo destaque.
Requerían que las señales de aniquilación de materia oscura se mantuvieran por debajo de la emisión astrofísica en cada punto de la imagen, particularmente dentro de la región de sombra interna.
«Al comparar estas predicciones con imágenes reales del EHT en el ‘cuarto oscuro’, podemos buscar señales sutiles que podrían revelar materia oscura», afirmó Shu.
Este enfoque morfológico resulta significativamente más potente que las restricciones previas basadas únicamente en la intensidad total. El análisis excluye regiones sustanciales del espacio de parámetros previamente inexplorado, lo que limita las secciones eficaces de aniquilación a aproximadamente 10-27 cm³/s para las observaciones actuales del EHT.
«Nuestras exclusiones basadas en las observaciones actuales del EHT ya exploran grandes regiones del espacio de parámetros previamente inexplorado, superando otras búsquedas que asumen perfiles de densidad similares», afirmó Chen.
Las limitaciones se mantienen robustas frente a las incertidumbres astrofísicas, incluyendo las variaciones en los parámetros de giro del agujero negro y la temperatura del plasma, factores que suelen introducir incertidumbres significativas en las búsquedas indirectas de materia oscura.
Perspectivas futuras
El verdadero potencial de este enfoque se materializará con las mejoras previstas del EHT. Las futuras mejoras prometen aumentar el rango dinámico casi 100 veces y alcanzar una resolución angular equivalente a aproximadamente un radio gravitacional, lo que les permitirá explorar con mayor profundidad las regiones más oscuras de la sombra.
«La mejora clave es la mejora del rango dinámico del telescopio, que es su capacidad para revelar detalles muy tenues junto a características extremadamente brillantes», explicó Chen.
«Un ejemplo común es el modo de ‘alto rango dinámico’ (HDR) de muchos teléfonos inteligentes, que utiliza procesamiento avanzado para resaltar los detalles tanto en las sombras oscuras como en las zonas brillantes en la misma imagen».
Estas mejoras podrían permitir la detección de materia oscura con secciones eficaces de aniquilación cercanas al valor de reliquia térmica, un objetivo teóricamente bien motivado, para masas de hasta aproximadamente 10 TeV.
De cara al futuro, los investigadores prevén varias direcciones para expandir esta investigación.
«La sombra del agujero negro no es solo una imagen estática; es un laboratorio dinámico de múltiples capas», afirmó Shu. «Más allá de los mapas de intensidad, los datos de polarización del EHT también abren nuevas perspectivas, ya que la polarización codifica cómo los campos magnéticos y el plasma moldean la radiación».
Las observaciones multifrecuencia también serán cruciales, según Shu. Los diferentes mecanismos de radiación escalan de forma distinta con la frecuencia, lo que permite a los investigadores determinar la fuente de radiación, utilizando básicamente múltiples colores para distinguir las señales de materia oscura de los fondos astrofísicos.
Con información de Physical Review Letters
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