Un físico ruso puede evaluar el efecto de la materia oscura en la sombra de un agujero negro
Un físico ruso ha elaborado una fórmula que permite evaluar el efecto de la materia oscura en la sombra de un agujero negro, un paso más para establecer el ansiado puente entre la mecánica cuántica y la Relatividad.
Estimación de la influencia de la materia oscura en la sombra de un agujero negro. RUDN.
Un físico ruso ha elaborado una fórmula que le permite evaluar el efecto de la materia oscura en el tamaño de la sombra de un agujero negro.
El efecto será notable solo si la concentración de esta hipotética forma de materia alrededor de los agujeros negros en los centros de las galaxias es anormalmente alta.
En otros casos, lo más probable es que no sea posible detectar la materia oscura a la sombra de un agujero negro. El trabajo fue publicado en la revista Physics Letters B.
Primera imagen
En abril de 2019, el Telescopio del Horizonte de Sucesos recibió la primera imagen de la sombra de un agujero negro supermasivo ubicado en el centro de la galaxia M87.
Para obtener esta toma, los astrónomos tuvieron que combinar ocho observatorios ubicados en diferentes rincones del mundo. La imagen obtenida no tiene la resolución suficiente para definir claramente la geometría del agujero negro central, pero en el futuro, los investigadores esperan lograr una mayor calidad.
Determinar la forma de su sombra permitirá a los astrónomos probar varias versiones de la teoría de la gravedad y, posiblemente, encontrar un ´puente´ que combine la mecánica cuántica y la teoría general de la relatividad, que no ha sido posible durante casi un siglo.
¿Efecto visible?
Roman Konoplya, profesor asociado del Instituto Científico de Gravitación y Cosmología de la Universidad Rusa de la Amistad de los Pueblos (RUDN), se preguntó si la hipotética materia oscura, que representa aproximadamente el 85 por ciento de toda la materia en el Universo, puede tener un efecto visible en la forma y el radio de la sombra de un agujero negro, un punto oscuro que surge debido a la curvatura de las trayectorias de los fotones en el campo gravitacional superpotente de este objeto.
El cosmólogo elaboró una fórmula que le permite determinar el cambio en el radio de la sombra en función de la cantidad de materia oscura que lo rodea.
Konoplya examinó un modelo esférico simple de un agujero negro no giratorio (Schwarzschild) rodeado por un halo de materia oscura. Luego obtuvo una fórmula general para medir el radio de la sombra de un agujero negro, considerando la ecuación de la métrica del espacio para el caso con materia oscura.
Las soluciones de la ecuación dependen de la posición relativa de la esfera de fotones y la capa dispersa de materia oscura: el halo. La esfera de fotones es el radio más pequeño de la órbita del fotón alrededor de un agujero negro. Un fotón en esta órbita ya no puede abandonar la vecindad del agujero, pero aún no cae sobre él.
Tres opciones
Puede haber tres opciones para tal acuerdo mutuo. La primera es que la materia oscura se distribuye de tal manera que la esfera de fotones se encuentra entre la capa de materia oscura y el horizonte de sucesos. En este caso, el tamaño de la sombra del agujero negro no cambiará para el observador, y no podremos notar la presencia de materia oscura en la forma de la sombra.
La segunda opción, cuando el halo de materia oscura está más cerca del horizonte de sucesos que la esfera de fotones, es imposible: toda la materia en esta área será inevitablemente absorbida por un agujero negro.
La tercera opción es la más interesante: cuando la esfera de fotones está inmersa en un halo de materia oscura. Entonces, el radio de la sombra dependerá de la densidad de la capa de materia oscura y de su masa: cuanto menor sea la densidad y cuanto mayor sea la masa, mayor será el radio de la sombra.
Sin embargo, los cálculos realizados por Konoplya mostraron que para que el cambio en el radio de la sombra del agujero negro sea incluso notable para el observador externo, se requerirá una concentración anormalmente alta de materia oscura alrededor del agujero negro central.
Konoplya concluye que es probable que la influencia de la materia oscura en el radio de la sombra sea imperceptible.
“Para deformar la geometría del agujero negro tanto que sea notable por las observaciones de la sombra, la materia oscura debe concentrarse cerca del agujero negro. En nuestra galaxia, hay, según algunas estimaciones, alrededor de 100 mil millones de masas solares de materia oscura. Al mismo tiempo, se supone que la materia oscura se distribuye por todo el halo galáctico, y no solo en su centro. Para influir en la sombra de un agujero negro, toda esta enorme masa debe concentrarse en la región central, que ocupa aproximadamente una millonésima parte de su volumen total”, explica Konoplya.
Modelos de rotación
Un resultado negativo, lo que significa que los astrónomos modernos no pueden usar los agujeros negros como un ´detector´ de materia oscura, es extremadamente importante para los astrofísicos que se dedican a su búsqueda.
La materia oscura es una forma hipotética de materia que, según los conceptos modernos, representa aproximadamente el 85 por ciento de la materia del Universo y aproximadamente el 25 por ciento de su densidad.
A diferencia de la materia bariónica ´ordinaria´, la materia oscura no emite radiación electromagnética y no interactúa directamente con ella. Por lo tanto, a pesar de todos los esfuerzos, los astrónomos aún no han podido obtener evidencia directa de su existencia.
Sin embargo, si por alguna razón es posible una concentración anormalmente alta de materia oscura alrededor del agujero negro, los astrónomos deberán considerar modelos que también tengan en cuenta los efectos de la rotación del agujero negro y la materia oscura que lo rodea.
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Referencia
Shadow of a black hole surrounded by dark matter. R.A.Konoplya. Physics Letters, Section B: Nuclear, Elementary Particle and High-Energy Physics. 10 August 2019, Pages 1-6, Volume 795. DOI:https://doi.org/10.1016/j.physletb.2019.05.043
