Un misterioso zumbido cósmico podría provenir de estrellas oscuras de 13 mil millones de años

Un tenue fondo de ondas gravitacionales de muy baja frecuencia, detectado a través de redes de púlsares, podría contener pistas sobre eventos que ocurrieron hace más de 13 mil millones de años, incluyendo la aparición de algunos de los primeros agujeros negros supermasivos del universo.

En un estudio publicado en Physical Review D, investigadores de la Universidad de Colgate, Sohan Ghodla y Cosmin Ilie, examinaron si los agujeros negros supermasivos que se originaron en el universo temprano podrían eventualmente producir una parte significativa del fondo de ondas gravitacionales que ahora se mide mediante Arrays de Tiempos de Púlsares (PTAs).

Los hallazgos conectaron dos áreas de la astronomía que a primera vista parecen distantes. Una involucra observaciones de agujeros negros sorprendentemente masivos que ya existían cuando el universo era joven. La otra involucra ondas gravitacionales generadas miles de millones de años después por pares de agujeros negros supermasivos que se acercan entre sí.

Los investigadores encontraron que una posible clase de semillas de agujeros negros tempranos, remanentes dejados por estrellas oscuras supermasivas, podría proporcionar una contribución dominante a la señal del PTA.

"Los arrays de tiempos de púlsares se suelen considerar como sondas de binarios de agujeros negros supermasivos en el universo relativamente reciente", afirmó Ilie. "Lo que nuestro trabajo demuestra es que la señal también puede contener información sobre cómo se formaron los ancestros de esos agujeros negros en el amanecer cósmico. En ese sentido, las ondas gravitacionales observadas hoy podrían proporcionar una nueva ventana al nacimiento de los primeros agujeros negros supermasivos".

Púlsares como relojes cósmicos precisos

Los Arrays de Tiempos de Púlsares dependen de estrellas de neutrones que giran rápidamente, conocidas como púlsares, que actúan como relojes extraordinariamente precisos en el espacio. Cuando las ondas gravitacionales atraviesan el cosmos, provocan pequeños cambios en el tiempo de los pulsos de radio que finalmente llegan a la Tierra. Al rastrear muchos púlsares durante largos períodos, equipos de investigación internacionales han encontrado evidencia de un fondo gravitacional estocástico a frecuencias en nanohertz.

La explicación astrofísica más aceptada para este fondo es una población de binarios de agujeros negros supermasivos que se espiralizan gradualmente hacia adentro. Sistemas cuyos agujeros negros tienen una masa combinada mayor a aproximadamente mil millones de soles hacen contribuciones especialmente importantes en las frecuencias detectadas por los PTAs.

Sin embargo, explicar esos enormes agujeros negros plantea una pregunta más profunda. Los astrónomos aún quieren saber cómo se formaron sus semillas originales. Observatorios como el Telescopio Espacial James Webb y Chandra han descubierto agujeros negros masivos en etapas sorprendentemente tempranas de la historia cósmica, aumentando el interés en mecanismos de formación capaces de producir semillas de agujeros negros grandes muy rápidamente.

¿Podrían las estrellas oscuras sembrar agujeros negros gigantes?

Los investigadores exploraron dos rutas posibles para producir semillas de agujeros negros masivos en el universo temprano: agujeros negros por colapso directo y agujeros negros formados a través del colapso de estrellas oscuras supermasivas.

Las estrellas oscuras son estrellas primordiales hipotéticas que recibirían gran parte de su energía del calentamiento asociado con la materia oscura en lugar de depender principalmente de la fusión nuclear ordinaria. En el escenario de materia oscura WIMP considerado en el estudio, estas estrellas podrían permanecer relativamente frías y extendidas mientras continúan acumulando material. Bajo las condiciones adecuadas, podrían crecer hasta un millón de veces la masa del Sol o más antes de colapsar en agujeros negros masivos.

Ghodla e Ilie modelaron cómo los agujeros negros producidos a través de estas vías evolucionarían a lo largo de la historia cósmica. Siguieron los halos que albergan los agujeros negros, estimaron con qué frecuencia los objetos se fusionarían y calcularon el fondo de ondas gravitacionales que esas fusiones producirían.

Sus resultados indican que si los remanentes de las estrellas oscuras supermasivas existieran a una densidad de aproximadamente 10^-3 Mpc^-3, sus descendientes podrían proporcionar una gran, y posiblemente dominante, parte de la señal de ondas gravitacionales medida por los PTAs. La población de agujeros negros por colapso directo considerada en el estudio parece haber sido mucho menos común. Con densidades características cerca de 10^-6 Mpc^-3, esos objetos contribuirían sustancialmente menos a la señal observada.

Usando ondas gravitacionales para sondear el amanecer cósmico

Una de las conclusiones clave del estudio es que las mediciones actuales de los PTAs pueden establecer límites sobre cuán comunes podrían haber sido las primeras semillas de agujeros negros supermasivos. "Producir demasiadas de estas semillas masivas y terminarías sobreproduciendo la señal detectada por el PTA. Producir muy pocas, y necesitarías otras fuentes para ensamblar eficientemente estos agujeros negros supermasivos más tarde en la vida del universo para coincidir con las observaciones del PTA", dijo Ghodla.

Dentro de los modelos examinados por los investigadores, las densidades de semillas en el rango de 10^-2 a 10^-1 Mpc^-3 comenzarían a generar más fondo de ondas gravitacionales de lo que las observaciones permiten. El límite exacto depende fuertemente de las masas de los halos de materia oscura donde esas semillas se formaron originalmente.

Esto otorga a las observaciones de los PTAs una capacidad inesperada para sondear poblaciones extremadamente antiguas. Podrían ser capaces de restringir objetos que existieron a desplazamientos al rojo mayores que 10, aunque las fusiones de sus descendientes que crean las ondas gravitacionales ocurren mucho más tarde en la historia cósmica.

Los cálculos también apoyan un hallazgo anterior que los binarios con masas totales de agujeros negros de aproximadamente más de 10⁹ masas solares dominan la señal predicha del PTA. Los sistemas binarios que contienen agujeros negros menos masivos contribuyen mucho menos.

Conectando materia oscura, estrellas oscuras y agujeros negros

Los hallazgos crean un nuevo vínculo observacional entre varias preguntas importantes en la cosmología moderna, incluyendo la naturaleza de la materia oscura, la formación de los primeros objetos luminosos, los orígenes de los agujeros negros supermasivos y las ondas gravitacionales que viajan a través del universo.

"Las estrellas oscuras fueron propuestas originalmente como objetos que podrían ser vistos directamente en el amanecer cósmico", dijo Ilie. "Este trabajo apunta a una forma completamente diferente de probar su posible papel en la historia cósmica. Sus descendientes podrían dejar una huella de ondas gravitacionales que persiste hasta el universo actual".

A medida que las mediciones de los Arrays de Tiempos de Púlsares se vuelven más precisas y los astrónomos mejoran su comprensión de los agujeros negros distantes y las galaxias que los albergaron, los investigadores podrían distinguir más claramente entre las explicaciones en competencia sobre cómo se formaron los primeros agujeros negros supermasivos del universo.

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