Stephen Hawking propuso una vez que los agujeros negros “primordiales” invisibles podrían ser la materia oscura oculta. Una serie de nuevos estudios muestra cómo puede funcionar.
por JOSHUA SOKO L
Los agujeros negros relativamente grandes estarían rodeados por otros mucho más pequeños. ILUSTRACIÓN: OLENA SHMAHALO / QUANTA MAGAZINE
LOS AGUJEROS NEGROS SON como tiburones: elegantes, simples, más aterradores en la imaginación popular de lo que se merecen, y posiblemente acechando en lugares profundos y oscuros a nuestro alrededor.
Su misma negrura hace que sea difícil estimar cuántos agujeros negros habitan en el cosmos y qué tan grandes son. Así que fue una auténtica sorpresa cuando las primeras ondas gravitacionales pasaron a través de los detectores del Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser (LIGO) en septiembre de 2015. Anteriormente, los agujeros negros más grandes del tamaño de una estrella habían alcanzado unas 20 veces la masa del sol. . Estos nuevos tenían alrededor de 30 masas solares cada uno, no inconcebibles, pero extraños. Además, una vez que LIGO se encendió e inmediatamente comenzó a escuchar este tipo de objetos fusionarse entre sí, los astrofísicos se dieron cuenta de que debía haber más agujeros negros acechando de lo que pensaban. Quizás mucho más.
El descubrimiento de estos extraños especímenes dio nueva vida a una vieja idea, una que, en los últimos años, había sido relegada al margen. Sabemos que las estrellas moribundas pueden crear agujeros negros. Pero quizás los agujeros negros también nacieron durante el propio Big Bang. Una población oculta de tales agujeros negros “primordiales” podría constituir posiblemente materia oscura, un pulgar oculto en la escala cósmica. Después de todo, no se ha mostrado ninguna partícula de materia oscura, a pesar de décadas de búsqueda. ¿Y si los ingredientes que realmente necesitamos, los agujeros negros, estuvieran ante nuestras narices todo el tiempo?
“Sí, fue una idea loca”, dijo Marc Kamionkowski, cosmólogo de la Universidad Johns Hopkins cuyo grupo publicó uno de los muchos artículos llamativos que exploraron la posibilidad en 2016. “Pero no fue necesariamente más loco que cualquier otra cosa más.”
Por desgracia, el coqueteo con los agujeros negros primordiales se agrió en 2017, después de que un artículo de Yacine Ali-Haïmoud, un astrofísico de la Universidad de Nueva York que había estado anteriormente en el optimista equipo de Kamionkowski, examinara cómo este tipo de agujero negro debería afectar la tasa de detección de LIGO. Se calcula que si el universo bebé generó suficientes agujeros negros para dar cuenta de la materia oscura, con el tiempo, estos agujeros negros podrían instalarse en pares binarios, orbitan entre sí cada vez más cerca, y de mezcla en las tasas de miles de veces superior a lo que observa LIGO. Instó a otros investigadores a continuar investigando la idea utilizando enfoques alternativos. Pero muchos perdieron la esperanza. El argumento fue tan condenatorio que Kamionkowski dijo que apagó su propio interés en la hipótesis.
Sin embargo, ahora, tras una serie de artículos recientes, la idea primordial del agujero negro parece haber vuelto a la vida. En uno de los últimos, publicado la semana pasada en el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics , Karsten Jedamzik, cosmólogo de la Universidad de Montpellier, mostró cómo una gran población de agujeros negros primordiales podría resultar en colisiones que coinciden perfectamente con lo que observa LIGO. “Si sus resultados son correctos, y parece ser un cálculo cuidadoso que ha hecho, eso pondría el último clavo en el ataúd de nuestro propio cálculo”, dijo Ali-Haïmoud, quien ha seguido jugando con la idea primordial del agujero negro en artículos posteriores también. “Significaría que, de hecho, podrían ser toda la materia oscura”.
“Es emocionante”, dijo Christian Byrnes, cosmólogo de la Universidad de Sussex que ayudó a inspirar algunos de los argumentos de Jedamzik. “Ha ido más lejos de lo que nadie ha ido antes”.
LA IDEA ORIGINAL se remonta a la década de 1970 con el trabajo de Stephen Hawking y Bernard Carr. Hawking y Carr razonaron que en las primeras fracciones de segundo del universo, pequeñas fluctuaciones en su densidad podrían haber dotado a regiones afortunadas o desafortunadas de demasiada masa. Cada una de estas regiones colapsaría en un agujero negro. El tamaño del agujero negro estaría dictado por el horizonte de la región, la parcela de espacio alrededor de cualquier punto alcanzable a la velocidad de la luz. Cualquier materia dentro del horizonte sentiría la gravedad del agujero negro y caería. Los cálculos aproximados de Hawking demostraron que si los agujeros negros fueran más grandes que los pequeños asteroides, es posible que todavía estén acechando en el universo hoy.
En la década de 1990 se produjeron más avances. Para entonces, los teóricos también tenían la teoría de la inflación cósmica, que sostiene que el universo experimentó un estallido de expansión extrema justo después del Big Bang. La inflación podría explicar de dónde habrían venido las fluctuaciones de densidad iniciales.
Además de esas fluctuaciones de densidad, los físicos también consideraron una transición clave que provocaría el colapso.
Cuando el universo era nuevo, toda su materia y energía bullían en un plasma increíblemente caliente. Después de la primera cienmilésima de segundo, el universo se enfrió un poco y los quarks y gluones sueltos del plasma podrían unirse para formar partículas más pesadas. Con algunas de las partículas ultrarrápidas ahora en camisa de fuerza, la presión cayó. Eso podría haber ayudado a que más regiones colapsaran en agujeros negros.
Pero en la década de 1990, nadie entendía la física de un fluido de quarks y gluones lo suficientemente bien como para hacer predicciones precisas sobre cómo esta transición afectaría la producción de agujeros negros. Los teóricos no pudieron decir cuán masivos deberían ser los agujeros negros primordiales, o cuántos esperar.
Además, los cosmólogos realmente no parecían necesitar agujeros negros primordiales. Los estudios astronómicos escanearon partes del cielo con la esperanza de encontrar un mar de objetos densos y oscuros, como agujeros negros, flotando en las afueras de la Vía Láctea, pero no encontraron muchos. En cambio, la mayoría de los cosmólogos llegaron a creer que la materia oscura estaba formada por partículas ultratímidas llamadas WIMP. Y las esperanzas ardían a fuego lento de que los detectores WIMP especialmente diseñados o el próximo Gran Colisionador de Hadrones pronto encontraran pruebas contundentes de ellos.
Con el problema de la materia oscura a punto de cerrarse con una reverencia y sin observaciones que sugieran lo contrario, los agujeros negros primordiales se convirtieron en un remanso académico. “Un cosmólogo de alto nivel se burló de mí por trabajar en eso”, dijo Jedamzik, quien remonta su propio interés a la década de 1990. “Así que dejé eso, porque necesitaba tener un puesto permanente”.
Por supuesto, no se han encontrado WIMP en las décadas transcurridas desde entonces, ni partículas nuevas (salvo el bosón de Higgs predicho durante mucho tiempo). La materia oscura permanece oscura.
Sin embargo, hoy se sabe mucho más sobre el medio ambiente que podría haber generado agujeros negros primordiales. Los físicos ahora pueden calcular cómo habrían evolucionado la presión y la densidad a partir del plasma de quarks-gluones al comienzo del universo. “Le tomó a la comunidad realmente décadas resolver esto”, dijo Byrnes. Con esa información en la mano, teóricos como Byrnes y Juan García-Bellido de la Universidad Autónoma de Madrid han pasado los últimos años publicando estudios que predicen que el universo primitivo podría haber generado no solo un tamaño de agujero negro, sino varios de ellos. .
Primero, los quarks y gluones se unieron en protones y neutrones. Eso provocó una caída de presión y podría haber generado un conjunto de agujeros negros primordiales. A medida que el universo continuaba enfriándose, se formaron partículas como piones, creando otra caída de presión y una posible explosión de un agujero negro.
Entre estas épocas, el espacio mismo se expandió. Los primeros agujeros negros podrían absorber aproximadamente una masa solar de material del horizonte a su alrededor. La segunda ronda podría capturar quizás alrededor de 30 masas solares, al igual que los objetos extraños que vio por primera vez LIGO. “Las ondas gravitacionales vinieron a nuestro rescate”, dijo García-Bellido.
A SEMANAS DE el primer anuncio de ondas gravitacionales de LIGO en 2016, la hipótesis del agujero negro primordial volvió a la vida. Pero al año siguiente, Ali-Haïmoud presentó su argumento de que los agujeros negros primordiales colisionarían con demasiada frecuencia, lo que les dio a los proponentes un gran obstáculo que superar.
Jedamzik aceptó el desafío. Durante unas largas vacaciones en Costa Rica, fue tras la discusión de Ali-Haïmoud. Ali-Haïmoud había realizado su trabajo analíticamente, a través de ecuaciones. Pero cuando Jedamzik creó simulaciones numéricas del mismo problema, encontró un giro.
Los agujeros negros primordiales ciertamente formarían binarios. Pero Jedamzik concluyó que en un universo repleto de agujeros negros, un tercer agujero negro a menudo se acercaría al par inicial y cambiaría de lugar con uno de ellos. Este proceso se repetiría una y otra vez.
Con el tiempo, este cambio de pareja a pareja dejaría agujeros negros binarios con órbitas casi circulares. Estos socios serían increíblemente lentos en chocar. Incluso una enorme población de agujeros negros primordiales se fusionaría con tan poca frecuencia que toda la hipótesis aún encajaría dentro de la tasa de fusión observada de LIGO.
Él publicó su trabajo en línea este mes de junio, sobre el terreno las preguntas de los expertos externos como el propio Ali-Haimoud. “Fue muy importante convencer a la comunidad, tanto como sea posible, de que no solo estás diciendo tonterías”, dijo Jedamzik, usando un término más contundente que “tonterías”.
También se basó en un trabajo que predijo que los agujeros negros primordiales se asentarían en cúmulos oscuros de un diámetro tan grande como la distancia entre el sol y la estrella más cercana. Cada uno de estos cúmulos podría contener alrededor de mil agujeros negros apiñados. Los gigantes de 30 masas solares se sentarían en el centro; los más pequeños, más comunes, ocuparían el resto del espacio. Estos cúmulos acecharían dondequiera que los astrónomos creen que está la materia oscura. Como ocurre con las estrellas de una galaxia o los planetas que giran alrededor del sol, el movimiento orbital de cada agujero negro evitaría que devorara a otro, excepto durante esas fusiones poco comunes.
En un segundo artículo, Jedamzik calculó exactamente cuán poco comunes deberían ser estas fusiones. Hizo los cálculos para los grandes agujeros negros que LIGO ha observado, y para los más pequeños, que no. (Los agujeros negros pequeños producirían señales débiles y agudas y tendrían que estar cerca para ser detectados). “Por supuesto, me sorprendió ver que uno tras otro obtenía la velocidad correcta”, dijo.
DEFENSORES DE LA hipótesis del agujero negro primordial todavía tiene mucho que convencer. La mayoría de los físicos todavía creen que la materia oscura está hecha de algún tipo de partícula elemental, una que es endiabladamente difícil de detectar. Además, los agujeros negros LIGO no son muy diferentes de lo que esperaríamos si vinieran de estrellas ordinarias. “En cierto modo llena un vacío en la teoría que en realidad no existe”, dijo Carl Rodríguez, astrofísico de la Universidad Carnegie Mellon. “Hay cosas que son extrañas acerca de algunas de las fuentes de LIGO, pero podemos explicar todo lo que hemos visto hasta ahora a través del proceso evolutivo estelar normal”.
Selma de Mink, una astrofísica de la Universidad de Harvard que ha esbozado teorías sobre cómo las estrellas por sí solas pueden producir los binarios de agujeros negros pesados que ve LIGO, es más contundente: “Creo que los astrónomos pueden reírse un poco de eso”.
Encontrar un solo agujero negro de masa subsolar, que debería ser común, según el escenario del agujero negro primordial, y que no puede formarse a partir de estrellas, transformaría todo este debate. Y con cada ejecución de observación posterior, LIGO ha aumentado su sensibilidad, lo que le permite eventualmente encontrar agujeros negros tan pequeños o establecer límites estrictos sobre cuántos pueden existir. “Esta no es una de estas historias como la teoría de cuerdas, donde en una o tres décadas todavía podríamos estar discutiendo si es correcta”, dijo Byrnes.
Mientras tanto, otros astrofísicos están investigando diferentes aspectos de la teoría. Por ejemplo, quizás las limitaciones más fuertes sobre los agujeros negros primordiales provienen de las búsquedas de microlentes, las mismas encuestas que comenzaron en la década de 1990. En estos esfuerzos, los astrónomos monitorean fuentes brillantes pero distantes, esperando ver si un objeto oscuro pasa frente a ellos. Estas búsquedas han descartado durante mucho tiempo una población uniformemente dispersa de pequeños agujeros negros.
Pero si los agujeros negros primordiales existen en un rango de masas, y si están agrupados en grupos densos y masivos, esos resultados podrían ser menos significativos de lo que pensaban los investigadores, dijo García-Bellido.
Las próximas observaciones podrían eventualmente resolver esa cuestión también. La Agencia Espacial Europea acordó recientemente contribuir con una característica adicional clave al próximo telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA , una que le permitiría realizar estudios de microlentes innovadores.
La adición se produjo a instancias de Günther Hasinger, director científico de la ESA, quien argumentó que los agujeros negros primordiales podrían explicar múltiples misterios. Para Hasinger, la idea es atractiva porque no invoca nuevas partículas ni nuevas teorías físicas. Simplemente reutiliza elementos antiguos.
“Creo que tal vez algunos de los acertijos que aún existen podrían resolverse por sí mismos”, dijo, “cuando se mira con otros ojos”.
Fuente: https://www.wired.com/story/is-dark-matter-just-black-holes-made-during-the-big-bang/
