Nuevas imágenes del telescopio ETH muestran cómo los agujeros negros abren una ventana inesperada a la materia oscura
Las sombras más profundas del universo podrían esconder algo más que gravedad. Las nuevas observaciones del Telescopio del Horizonte de Sucesos (ETH) muestra que los agujeros negros podrían convertirse en detectores naturales de la materia oscura.
Por Enrique Coperías
Imagen simulada del agujero negro supermasivo M87*. El panel izquierdo muestra la radiación generada por el plasma astrofísico del disco de acreción, mientras que el derecho ilustra la posible emisión producida por la aniquilación de materia oscura. Cortesía: Yifan Chen.
Por primera vez, las sombras de los agujeros negros podrían servir para algo más que poner a prueba la relatividad general. Un equipo internacional de astrofísicos, encabezado por Yifan Chen, del Instituto Niels Bohr, en Dinamarca; y Ran Ding, de la Universidad de Anhui, en China, ha demostrado que las observaciones del Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT) pueden convertirse en un instrumento para buscar materia oscura, la esquiva sustancia que compone la mayor parte de la masa del cosmos pero que sigue sin dejarse detectar directamente.
El trabajo, publicado en la revista Physical Review Letters, propone un nuevo método para detectar señales de aniquilación de materia oscura en las inmediaciones de agujeros negros supermasivos, como el de la galaxia M87 o el que se oculta en el centro de la Vía Láctea, Sagitario A*.
Según Chen, Ding y sus colegas, las características morfológicas de las imágenes del EHT —en especial la llamada sombra interior del agujero negro— pueden revelar si en su entorno se acumulan densas concentraciones de materia oscura que, al colisionar, generarían radiación detectable.
Del horizonte de sucesos a la física fundamental
Desde que el EHT publicó en 2019 la primera imagen de un agujero negro —el de M87*, con su distintivo anillo brillante rodeando una sombra oscura—, la colaboración astronómica ha ido perfeccionando una técnica que combina radiotelescopios de todo el mundo para alcanzar una resolución sin precedentes. Las próximas fases del proyecto, con redes ampliadas e incluso estaciones espaciales, como la misión BHEX, Black Hole Explorer, prometen multiplicar la nitidez y el rango dinámico de las imágenes. Esto permitirá ver regiones más profundas y oscuras en torno al horizonte de sucesos.
👉 Recordemos que el horizonte de sucesos es la frontera invisible que rodea a un agujero negro y que marca el punto de no retorno: nada que lo cruce, ni siquiera la luz, puede escapar de su atracción gravitatoria. No es una superficie física, sino un límite del espacio-tiempo donde la gravedad es tan intensa que todas las trayectorias posibles conducen inevitablemente hacia el interior del agujero negro. Desde fuera, todo lo que sucede más allá del horizonte permanece para siempre oculto al universo.
Es precisamente en esas regiones extremas donde el nuevo estudio sitúa su búsqueda. Las simulaciones indican que la intensa gravedad de los agujeros negros supermasivos atrae y concentra las partículas de materia oscura, formando una especie de pico o spike de densidad. Si esas partículas son del tipo conocido como WIMP (partículas masivas de interacción débil), podrían aniquilarse entre sí y producir electrones y positrones de alta energía.
¿Qué es la radiación sincrotrón?
Al moverse en los campos magnéticos que rodean el agujero negro, estos pares emitirían radiación sincrotrón, observable en el rango de frecuencias del EHT, alrededor de los 230 gigahercios. Hay que decir que la radiación sincrotrón es la luz que emiten las partículas cargadas, como electrones o positrones, cuando se mueven a altas velocidades en campos magnéticos. Es una forma muy energética de radiación que se observa en chorros de galaxias, púlsares y alrededores de agujeros negros.
En palabras de Chen, «los agujeros negros no solo deforman el espacio y el tiempo, también podrían amplificar los efectos de la materia oscura y convertirlos en señales observables».
Su equipo ha desarrollado un marco teórico detallado para estimar cómo se propagan y distribuyen esos electrones y positrones en el complejo entorno magnético del agujero negro, basándose en simulaciones de magnetohidrodinámica relativista (GRMHD) del modelo conocido como disco magnéticamente arrestado (Magnetically Arrested Disk, MAD), el mismo que mejor reproduce las observaciones del EHT.
El brillo oculto en la sombra
El artículo compara dos tipos de imágenes: una generada por el plasma astrofísico habitual del disco de acreción y otra hipotética en la que la radiación procede de la aniquilación de materia oscura.
En el modelo astrofísico clásico, la luz se concentra en el anillo exterior del disco, mientras que el centro aparece notablemente oscurecido debido a la escasez de electrones en el chorro polar. En cambio, si la materia oscura contribuyera de manera significativa, la densidad de pares electrón-positrón sería similar en el chorro y en el disco, y el interior de la sombra aparecería sorprendentemente iluminado.
Esa diferencia —una sombra que brilla— sería la firma más clara de la presencia de materia oscura. «El contraste morfológico entre el brillo del anillo y la oscuridad del centro resulta ser una herramienta mucho más potente que la simple medida del flujo total», explican los autores en Physical Review Letters. Es decir, no basta con detectar un exceso de luz; lo importante es dónde aparece esa luz dentro de la estructura del agujero negro.
Con las imágenes actuales del Telescopio del Horizonte de Sucesos, cuya resolución equivale a observar una naranja en la Luna, ya es posible descartar ciertos escenarios. Si la materia oscura produjera radiación tan intensa como la que se observa en M87*, el centro de la imagen debería estar mucho más brillante. Pero no lo está. Así, los investigadores establecen límites superiores muy estrictos a la posible tasa de aniquilación de partículas de materia oscura en torno a ese agujero negro supermasivo.
Conjunto de imágenes que muestra la distribución de la materia oscura obtenida a partir de una simulación numérica, correspondiente a un cierto corrimiento al rojo, cuando el universo tenía unos 3.000 millones de años. Cortesía: The Virgo Consortium/Alexandre Amblard/ESA
El potencial de la próxima generación del EHT
El salto cualitativo llegará con las futuras mejoras del EHT. Chen y Ding calculan que un aumento del rango dinámico de diez a mil —combinado con una resolución angular de aproximadamente un radio gravitacional— permitirá explorar la sombra interior con una sensibilidad sin precedentes. Esa región, más oscura que el anillo brillante pero no completamente negra, está definida por los fotones que rozan el horizonte de sucesos antes de ser desviados por la curvatura extrema del espacio-tiempo.
Según el estudio, las observaciones de esa zona convertirán a los agujeros negros en detectores naturales de materia oscura. Si la aniquilación produjera una emisión superior a la esperada del plasma del chorro, las futuras imágenes deberían mostrar un brillo adicional dentro de la sombra. Al no observarse tal señal, el equipo obtiene nuevas restricciones sobre las propiedades de las partículas de materia oscura —su masa y su sección eficaz de aniquilación— que superan las obtenidas por experimentos espaciales y telescopios de rayos gamma, como el Planck, el Fermi-LAT y el H.E.S.S.
En uno de los gráficos del artículo, las áreas sombreadas muestran la región de parámetros excluidos por las observaciones actuales del EHT y las que quedarían fuera con sus futuras mejoras. En el caso de la aniquilación en cuarks b (bb̄), los límites proyectados alcanzarían la llamada sección eficaz térmica relicta, la referencia teórica que marcaría la abundancia correcta de materia oscura en el universo primitivo. En otras palabras, el EHT podría llegar a sondear por primera vez el rango más prometedor para las WIMP.
Robustez frente a las incertidumbres astrofísicas
Un aspecto crucial del estudio es que sus conclusiones se mantienen sólidas frente a las incertidumbres astrofísicas. Los investigadores han probado diferentes configuraciones del espín del agujero negro —desde valores intermedios hasta rotaciones casi máximas— y distintas proporciones entre la temperatura de protones y electrones en el plasma.
En todos los casos, los límites sobre la aniquilación de materia oscura varían muy poco. «La morfología del brillo es un rasgo sorprendentemente estable», afirma Chen.
El modelo también se ha contrastado con observaciones de polarización, que confirman la estructura de campo magnético esperada en el disco y el chorro. Este enfoque integral, que combina relatividad general, física del plasma y astrofísica de altas energías, representa una mejora significativa respecto a estudios anteriores basados en geometrías esféricas o campos magnéticos simplificados.
De M87 a Sagitario A*: una técnica universal
Aunque el trabajo se centra en M87*, sus autores subrayan que las mismas ideas pueden aplicarse al agujero negro del centro de la Vía Láctea, Sagitario A*, recientemente fotografiado por el EHT.
En este caso, la línea de visión casi directa y la estructura del disco también se ajustan al modelo MAD, lo que permitiría repetir el análisis con datos del propio entorno galáctico. Dado que Sagitario A* está mucho más cerca (a unos 26.000 años luz), las observaciones futuras podrían ofrecer una resolución aún mejor, compensando su menor masa.
Además, la técnica no se limita a las WIMP tradicionales. El grupo planea explorar otros escenarios de física de partículas, como la aniquilación p-wave, que se intensifica con la velocidad, y los modelos de materia oscura prohibida, donde las reacciones solo son posibles en condiciones de energía extrema como las que ofrece la vecindad de un agujero negro supermasivo.
Imagen polarizada del agujero negro Sagitario A*, en el centro de la Vía Láctea. La colaboración EHT, responsable de la primera imagen de este objeto en 2022, ha obtenido ahora una nueva vista en luz polarizada, que revela por primera vez la orientación de los campos magnéticos cerca del borde del agujero negro. Las líneas superpuestas indican la dirección de la polarización, relacionada con la estructura magnética que rodea su sombra. Cortesía: Colaboración EHT.
Una frontera entre cosmología y física cuántica
El trabajo de Chen y sus colaboradores marca un punto de encuentro entre la cosmología y la física de partículas. Hasta ahora, los intentos de detectar materia oscura se han centrado en experimentos subterráneos, observaciones de rayos gamma o mediciones del fondo cósmico de microondas. Ninguno ha logrado una señal inequívoca. Este nuevo enfoque introduce un actor inesperado: los agujeros negros, tradicionalmente vistos como trampas de información, se convierten aquí en amplificadores naturales de procesos invisibles.
El propio EHT, concebido para estudiar la física de los agujeros negros, podría así aportar pruebas cruciales sobre la composición del universo. Las sombras que produce la materia más densa conocida servirían, paradójicamente, para rastrear la materia más esquiva.
En el horizonte de los próximos años, la combinación del EHT con nuevas estaciones en órbita y observaciones multifrecuencia abrirá la posibilidad de medir no solo la intensidad de la luz, sino también su polarización lineal y circular. Estas propiedades permitirían distinguir entre electrones y positrones y ofrecer una prueba adicional: los plasmas astrofísicos contienen muy pocos positrones, mientras que la aniquilación de materia oscura los produciría en abundancia.
«Si vemos un exceso de positrones cerca del horizonte, sería un indicio revelador», adelanta Ding.
Una sombra que ilumina el misterio del cosmos
Hace solo una década, imaginar que los agujeros negros pudieran servir para estudiar la materia oscura habría parecido ciencia ficción. Hoy, gracias al Telescopio del Horizonte de Sucesos, integrado por una red internacional de media docena de telescopios milimétricos, esa posibilidad es tangible.
Las sombras cósmicas que antes confirmaban la relatividad de Einstein se transforman ahora en instrumentos para desvelar la materia invisible que compone el 85% del universo.
Una paradoja poética: son las zonas más oscuras del cosmos las que podrían ofrecernos la luz más clara sobre su misterio más profundo. ▪️
Fuente: Yifan Chen, Ran Ding, Yuxin Liu, Yosuke Mizuno, Jing Shu, Haiyue Yu and Yanjie Zeng. Illuminating Black Hole Shadows with Dark Matter Annihilation. Physical Review Letters (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/yxqg-363n
