¿Podrían los agujeros negros primordiales ser materia oscura?
Los agujeros negros son objetos elegantes y simples, pero en la imaginación popular a veces pueden parecer francamente aterradores. En muchos sentidos, actúan como un cuerpo negro ideal (un objeto que absorbe toda la radiación electromagnética externa sin ningún tipo de reflexión o transmisión), lo que dificulta estimar cuántos agujeros negros existen en el universo y qué tan grandes son. Por lo tanto, cuando el detector del Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) detectó ondas gravitacionales por primera vez en septiembre de 2005, realmente sorprendió a la comunidad física. Antes de esto, los agujeros negros estelares más grandes (agujeros negros formados después del colapso gravitacional de estrellas masivas) eran aproximadamente 20 veces más masivos que el Sol. Estos agujeros negros recién descubiertos son todos aproximadamente 30 veces más masivos que el Sol. Increíble, pero muy extraño. Además, cuando LIGO comenzó e inmediatamente comenzó a escuchar señales de esta fusión de objetos, los astrofísicos se dieron cuenta de que debía haber muchos más agujeros negros al acecho, quizás muchos más de los que pensaban.
El descubrimiento de estos extraños agujeros negros ha inyectado nueva vitalidad a una vieja idea que ha ido siendo progresivamente marginada en los últimos años. Sabemos que las estrellas moribundas crean agujeros negros, pero los agujeros negros también pueden nacer en BIGBANG. Estos agujeros negros "primordiales" pueden estar escondidos, formando materia oscura. Después de todo, a pesar de décadas de exploración, los investigadores aún tienen que detectar partículas de materia oscura. ¿Quizás podamos plantear audazmente la hipótesis de qué pasaría si siempre hubiera un agujero negro ante nuestras narices?
Mark Camio, cosmólogo de la Universidad Johns Hopkins en Estados Unidos, dijo que esta es realmente una idea loca, pero no necesariamente más loca que otras opiniones. De hecho, ya existen muchos artículos que exploran esta posibilidad. En 2016, el grupo de investigación de Kamiokusky también publicó un artículo llamativo.
Desafortunadamente, ¿el astrofísico Yassin de la Universidad de Nueva York? Yacine Ali-Haimoud publicó un artículo en 2017 examinando cómo este tipo de agujero negro afectaría la tasa de detección de LIGO. Posteriormente se empezó a cuestionar la relación entre la materia oscura y los agujeros negros primordiales. Ali-Ho Mengde calculó que si hay suficientes agujeros negros en el nuevo universo para dar cuenta de la materia oscura, con el tiempo, estos agujeros negros formarán un sistema doble de agujeros negros. Se orbitarán entre sí, se acercarán cada vez más y La velocidad de fusión será incluso más rápida que Los eventos de fusión observados por LIGO son miles de veces mayores. Hizo un llamado a otros investigadores a continuar estudiando la idea de otras maneras. Pero mucha gente ha perdido la esperanza. Camio Koski señala que el argumento de Ali-Homund era tan convincente que su propio interés en la hipótesis se extinguió.
Ahora, sin embargo, con la publicación de una serie de artículos recientes, la idea de los agujeros negros primordiales parece haber revivido. No hace mucho, Carleston Dacik, cosmólogo de la Universidad de Montpellier en Francia, publicó un último informe de investigación en el Journal of Cosmology and Astrophysics. En el informe, explicaba cómo una gran cantidad de agujeros negros primordiales pueden provocar colisiones. Completamente consistente con las observaciones de LIGO. "Si sus resultados son correctos -y parece que hizo un cálculo bastante cuidadoso- eso bloquearía nuestros cálculos", dijo Ali Hemende. "Esto significaría que en realidad todos ellos pueden ser materia oscura." En su artículo posterior, también continuó investigando la idea de los agujeros negros primordiales.
Christian Byrnes, cosmólogo de la Universidad de Sussex en el Reino Unido, dijo que este resultado es muy emocionante. "Ha llegado más lejos que nadie antes". Burns ayudó a Dachek a destacar algunos puntos.
La idea original de este argumento se remonta al trabajo de Stephen Hawking y Bernard Carr en la década de 1970. Razonaron que en los primeros segundos del universo, pequeñas fluctuaciones en la densidad podrían haber dado demasiada masa a algunas regiones. Cada una de estas regiones colapsará en un agujero negro, cuyo tamaño estará determinado por el horizonte de sucesos de la región. El llamado horizonte es el espacio alrededor de cualquier punto al que se puede llegar a la velocidad de la luz. Cualquier cosa dentro del horizonte de sucesos sentirá la gravedad del agujero negro y caerá. Los cálculos aproximados de Hawking sugieren que si los agujeros negros fueran más grandes que los asteroides más pequeños, todavía podrían estar al acecho en el universo actual.
En la década de 1990 se lograron grandes avances.
Los físicos teóricos de la época también propusieron la teoría de la inflación cósmica, creyendo que el universo experimentó una expansión extrema después del Big Bang. La teoría de la inflación puede explicar de dónde provienen las fluctuaciones iniciales de densidad. Además de las fluctuaciones de densidad, los físicos también consideran una transición clave en la dirección del colapso.
Cuando el universo se formó por primera vez, toda su materia y energía estaban hirviendo en un plasma a una temperatura inimaginablemente alta. Después de la primera cienmilésima de segundo, el universo se enfrió ligeramente y los quarks y gluones sueltos en el plasma se combinaron para formar partículas más pesadas. La presión también cae cuando se unen un puñado de partículas que se mueven a la velocidad del rayo. Esto podría ayudar a que más regiones colapsen en agujeros negros.
En la década de 1990, sin embargo, nadie sabía lo suficiente sobre la física de los fluidos de quarks y gluones para predecir con precisión cómo afectaría esta transición a la formación de agujeros negros. Los físicos teóricos aún no saben qué tan masivo debería haber sido el agujero negro primordial, ni cuánto debería haber tenido.
Además, los cosmólogos no parecen necesitar realmente los agujeros negros primordiales. El estudio escaneó una pequeña área del cielo con la esperanza de encontrar una masa densa de objetos oscuros como agujeros negros flotando alrededor de las afueras de las galaxias, pero encontró poco. En cambio, la mayoría de los cosmólogos han llegado a creer que la materia oscura está compuesta de partículas masivas que interactúan débilmente (WIMP, por sus siglas en inglés) extremadamente "insociables". Esta es una partícula que todavía se encuentra en la etapa teórica. Sólo interactúa a través de la fuerza nuclear débil y la gravedad, y básicamente no interactúa con la materia ordinaria. El detector WIMP especialmente diseñado y el próximo Gran Colisionador de Hadrones pronto podrán encontrar pruebas concluyentes de su existencia. Eso espero.
El problema de la materia oscura parece estar a punto de resolverse. No se han observado otras opciones, por lo que los agujeros negros primordiales se han convertido en un remanso académico. "Un cosmólogo experimentado parecía reírse de mí por trabajar en esto", dice Jean Dachek. "Así que lo dejé porque necesitaba un puesto permanente." Su interés por la investigación en este campo se remonta a los años 90.
Por supuesto, en las décadas posteriores, los científicos no han descubierto WIMP ni ninguna partícula nueva (a excepción del bosón de Higgs, que se predijo hace mucho tiempo). El misterio de la materia oscura sigue siendo difícil de alcanzar.
Sin embargo, ahora sabemos mucho más sobre las circunstancias que podrían haber producido los agujeros negros primordiales. Los físicos han podido calcular cómo evolucionaron la presión y la densidad en el plasma de quarks y gluones en los inicios del universo. Burns dijo que la física tardó décadas en lograr estos resultados. Utilizando esta información, físicos teóricos como Burns y Juan García-Bellido de la Universidad Autónoma de Madrid han publicado una serie de artículos en los últimos años prediciendo que los agujeros negros en el universo temprano podrían no tener un solo tamaño, sino una variedad de tamaños. diferentes tamaños.
Inicialmente, los quarks y gluones se combinan para formar protones y neutrones. Esto provocó una caída de presión y pudo haber creado un conjunto de agujeros negros primordiales. A medida que el universo continúa enfriándose, se forman partículas como piones, lo que provoca otra caída de presión y una posible explosión de un agujero negro.
Entre estos dos periodos, el propio espacio se expandió. El agujero negro original podría absorber aproximadamente la masa del Sol del horizonte de sucesos que lo rodea. La segunda ronda podría atraer unas 30 masas solares de material, como el extraño objeto detectado por primera vez por LIGO. "Las ondas gravitacionales nos salvaron", dijo García-Beredo.
En 2016, pocas semanas después de que el equipo LIGO anunciara la detección de la primera onda gravitacional, se revivió la hipótesis original del agujero negro. Pero al año siguiente, Ali Hemengde avanzó su opinión de que los agujeros negros primordiales colisionarían con demasiada frecuencia, lo que planteaba un enorme desafío para los partidarios de la hipótesis del agujero negro primordial.
Deja que Dachik acepte el desafío. Durante unas largas vacaciones en Costa Rica, estudió detenidamente la declaración de Ali Hemond. Ali-Homund analizó el problema mediante ecuaciones, pero cuando se le pidió a Dacik que simulara numéricamente el mismo problema, descubrió un giro.
Los agujeros negros primordiales formaron un sistema binario de agujeros negros, pero eso llevó a Dachik a concluir que en un universo lleno de agujeros negros, un tercer agujero negro normalmente se acercaría al primer par y se intercambiaría con uno de ellos. Este proceso se repetirá una y otra vez.
Con el tiempo, esta transformación de un par de agujeros negros a otro hace que la órbita del sistema binario de agujeros negros se vuelva casi circular. Estos pares de agujeros negros chocan muy lentamente. Incluso si hubiera muchos agujeros negros primordiales, no se fusionarían con tanta frecuencia.
Esto hace que toda la hipótesis siga siendo consistente con las tasas de fusiones observadas por LIGO.
En junio de 2020, Jean Dacic publicó los resultados de su investigación en Internet y respondió a las preguntas planteadas por expertos externos como Ali Hemende. Dijo: "Es muy importante hacer todo lo posible para convencer a la comunidad académica de que no estamos diciendo tonterías".
También predijo que el agujero negro original estaría ubicado en un cúmulo de estrellas oscuras con una diámetro aproximadamente del tamaño del sol y La distancia entre las estrellas más cercanas es la misma. Cada cúmulo de estrellas puede contener alrededor de 1.000 agujeros negros abarrotados. Un agujero negro gigante con una masa equivalente a 30 soles estaría en el centro; agujeros negros más comunes y más pequeños ocuparían el espacio restante. Estos cúmulos de galaxias estarán al acecho donde los astrónomos creen que existe materia oscura. Como una estrella en una galaxia o un planeta que orbita alrededor del Sol, el movimiento orbital de cada agujero negro impide que se trague al otro, a menos que suceda algo inusual.
En el segundo artículo, se pidió a Dachik que calculara exactamente qué tan raros son estos eventos de fusión. Calculó los grandes agujeros negros observados por LIGO y los pequeños agujeros negros que no fueron observados (un agujero negro pequeño emite una señal débil y nítida que sólo puede detectarse muy cerca de él). "Por supuesto, me quedé estupefacto cuando encontré, pieza por pieza, las cifras correctas para el ritmo de fusión", afirma Jean Dachik.
Los defensores de la hipótesis original del agujero negro todavía tienen mucho trabajo por hacer para ser más convincentes. La mayoría de los físicos todavía creen que la materia oscura se compone de algún tipo de partícula elemental que es extremadamente difícil de detectar. Además, los agujeros negros detectados por LIGO no son tan diferentes de lo que esperaríamos si provinieran de estrellas ordinarias. "En cierto modo, esto llena un vacío en la teoría que en realidad no existe", dijo Carl Rodríguez, astrofísico de la Universidad Carnegie Mellon en Estados Unidos. "Algunas fuentes de luz LIGO son extrañas, pero podemos explicar todo lo que hemos visto hasta ahora a través del proceso normal de evolución estelar."
¿Thelma? ¿Virtud? Aún más claramente: "Creo que los astrónomos pueden reírse de esto", dijo Thelma Mink, quien una vez teorizó cómo las estrellas observadas por LIGO podrían formar individualmente grandes sistemas binarios de agujeros negros.
Según la hipótesis original del agujero negro, debería ser común encontrar agujeros negros con masas subsolares, y este agujero negro no puede estar formado por estrellas. Si esta opinión es correcta, cambia todo el debate. En cada observación futura, a medida que aumente la sensibilidad de LIGO, eventualmente descubrirá estos pequeños agujeros negros o impondrá un límite estricto al número de agujeros negros que pueden existir. "Esta hipótesis es diferente de la teoría de cuerdas. Dentro de diez o treinta años, es posible que todavía estemos debatiendo si la teoría de cuerdas es correcta", dijo Burns.
Mientras tanto, otros astrofísicos están explorando diferentes aspectos de la teoría. Por ejemplo, las limitaciones más fuertes sobre los agujeros negros primordiales pueden provenir de búsquedas de microlentes gravitacionales. La microlente gravitacional se propuso en la década de 1960 y describe el fenómeno de la lente gravitacional en objetos a nivel estelar. Las investigaciones sobre estos fenómenos también comenzaron en la década de 1990. Los astrónomos utilizan estos estudios para monitorear fuentes de luz brillantes pero distantes, esperando que objetos oscuros pasen frente a ellas. Investigaciones de larga data han descartado la posibilidad de pequeños agujeros negros distribuidos uniformemente.
Pero García-Beredo dijo que estos resultados podrían no ser tan importantes como creen los investigadores si los agujeros negros primordiales existieran en una variedad de diferentes tamaños de masa y si estuvieran comprimidos en cúmulos densos y masivos. Las siguientes observaciones pueden finalmente resolver este problema. La Agencia Espacial Europea acordó recientemente proporcionar al próximo Telescopio Espacial Romano de la NASA (anteriormente Telescopio de reconocimiento infrarrojo de campo amplio) una capacidad adicional crítica que le permitirá realizar estudios innovadores de microlentes gravitacionales.
Esta característica se introdujo bajo la dirección del director científico de la ESA, Gunther Hassinger, quien propuso que los agujeros negros primordiales podrían explicar muchos misterios. Para Hassinger, ésta era una idea muy atractiva porque no se introdujeron nuevas partículas ni nuevas teorías físicas, sólo se reutilizaron elementos antiguos. "Creo que tal vez algunos de los misterios puedan ser resueltos por uno mismo, si sólo se los mira desde una perspectiva diferente", dijo. (Nintendo)