Cuando se trata de sospechar que los agujeros negros primordiales son materia oscura, su excusa puede estar a punto de desmoronarse. Los pequeños agujeros negros, que se formaron segundos después del nacimiento del universo, pueden persistir durante más tiempo de lo esperado, lo que genera nuevas sospechas de que los agujeros negros primordiales podrían ser responsables de la materia oscura, la sustancia más misteriosa del universo.
La materia oscura representa actualmente uno de los problemas más acuciantes de la física. Esto se debe a que, aunque constituye aproximadamente el 85% de la materia del universo, la materia oscura permanece invisible a nuestros ojos porque no interactúa con la luz.
Dado que las partículas que componen los átomos que componen los objetos “ordinarios” que podemos ver, como estrellas, planetas y nuestros propios cuerpos, interactúan claramente con la luz, esto ha provocado una búsqueda de partículas de materia oscura fuera del modelo estándar de partículas. física. Muchos científicos creen que la respuesta todavía está en el Modelo Estándar; sin embargo, si miramos a un primo más pequeño de los objetos cósmicos, generalmente los vemos como extremadamente masivos, incluso monstruosos: los agujeros negros.
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Científico del Instituto Max Planck Valentin Thos Y Ana Fernández Alejandro Dos investigadores de la Universidad de Lisboa participaron recientemente en este tipo de estudios. Su hipótesis es que los pequeños agujeros negros que surgieron hace más de 13.800 millones de años, inmediatamente después del Big Bang, y que no son más grandes que un protón, podrían haberse fusionado en sospechosos de materia oscura sin necesidad de nueva física.
El reciente cambio en la forma de pensar sobre cómo se «evaporan» los agujeros negros no sólo ha conducido a una reevaluación de la viabilidad de los agujeros negros primordiales, ya que se sospecha de materia oscura, sino que, a medida que la búsqueda de partículas de materia oscura continúa quedando prácticamente en blanco, podría comenzar. a… Más investigadores están analizando más seriamente la teoría de la materia oscura del agujero negro primordial.
¿Qué son los agujeros negros primordiales?
«Como sugiere el nombre, los agujeros negros primordiales son un tipo de agujero negro que se formó al comienzo del universo», dijo Thos a Space.com. «En realidad, dentro de la primera fracción de segundo del universo».
Explicó que todas las estructuras que observamos en el universo, desde supercúmulos de galaxias hasta galaxias dentro de sí mismas, están formadas por ligeros excesos de densidad en el espacio que estaban presentes durante el inicio del universo. Si el universo primitivo experimentó fluctuaciones de densidad mucho más fuertes que las que crearon estas características, y estas fluctuaciones colapsaron antes de que se formaran las galaxias, esos puntos extremadamente densos podrían haber estimulado los agujeros negros primordiales.
Dependiendo de cuándo ocurrió este colapso y de su tamaño, estos agujeros negros primordiales tendrán masas muy diferentes, añadió Thos. Los agujeros negros primordiales considerados por Thos y Fernández-Alexander como posibles candidatos a materia oscura tendrían masas comprendidas entre unas pocas toneladas y mil toneladas, concretamente, menos que la masa de un planeta y más en la categoría de un pequeño. asteroide.
Dado que los agujeros negros más pequeños que los científicos han descubierto hasta ahora, conocidos como agujeros negros de masa estelar, tienen masas equivalentes a entre 3 y 50 veces la masa del Sol, que a su vez es 2,2 veces 10 elevado a 27 (22 seguido de 26). ). (Cero) toneladas – Estos agujeros negros primordiales son increíblemente pequeños.
Al igual que sus homólogos de agujeros negros más grandes que se formaron a partir del colapso de estrellas masivas o de la fusión de agujeros negros relativamente más pequeños, según Fernández-Alexander, los agujeros negros primordiales tendrían un límite exterior que atrapa la luz llamado horizonte de sucesos. El diámetro de este horizonte está determinado por la masa del agujero negro, lo que significa que el horizonte de sucesos sería increíblemente pequeño en esos casos. «Más pequeño que el radio de un protón», dijo Fernández-Alexander.
Los pequeños agujeros negros primordiales fueron previamente descartados como candidatos para la materia oscura porque se cree que todos los agujeros negros «filtran» un tipo de radiación térmica que fue planteada por primera vez por Stephen Hawking en 1974 y luego llamada «radiación de Hawking».
Cuanto más pequeño es el agujero negro, más rápido puede escapar la radiación de Hawking y, por tanto, más rápido debe evaporarse. Esto significa que si los agujeros negros primordiales existieran, los ejemplos más pequeños no deberían existir hoy, pero la materia oscura claramente sí.
«Anteriormente se consideraba improbable que hubiera agujeros negros primordiales con las masas que Anna y yo estamos estudiando ahora porque se suponía que se habían evaporado por completo en ese momento en el universo», dijo Thos.
Sin embargo, un trabajo reciente de György Dvali, un físico teórico de la Universidad de Munich que colaboró con Thos y Fernández-Alexander, ha sugerido que el proceso de evaporación se interrumpe en algún momento. Esto significa que los agujeros negros primordiales con las masas consideradas por los científicos podrían alcanzar un estado casi estacionario.
«Para reducir su masa mediante la emisión de radiación de Hawking, el agujero negro tiene que reescribir su información, o algo más. Y este proceso de reescritura lleva tiempo», explicó Fernández-Alexander. «Esto se llama 'carga de memoria' porque esa memoria ahora tiene que pasar a otra cosa, y esto ralentiza el proceso general de evaporación. Así que es una especie de estabilización».
¡Este «mecanismo de rescate» significa que los agujeros negros primordiales han vuelto como candidatos potenciales para la materia oscura!
¿Una viva imagen de la materia oscura?
Sin embargo, el hecho de que hoy existan agujeros negros primordiales en el universo no significa inmediatamente que deban considerarse sospechosos de materia oscura. De hecho, existen otras razones para vincular estos pequeños hipotéticos agujeros negros con el misterioso contenido de materia del universo.
Quizás la conexión más obvia es que la materia oscura no interactúa con la luz. La materia oscura no emite ni refleja luz, y el horizonte de sucesos que bordea todos los agujeros negros marca el punto en el que la velocidad de escape necesaria para cruzar supera la velocidad de la luz. Esto significa que los agujeros negros primordiales «atraparían» toda la luz incidente, lo que resultaría en una aparente falta de interacciones.
«Si son lo suficientemente ligeros, entonces en algún lugar alrededor de una masa planetaria, los agujeros negros primordiales se comportan como partículas de materia oscura para todos los fines que nos interesan», dijo Thos. «La materia oscura no tiene colisiones en los modelos estándar, por lo que las partículas de materia oscura no interactúan entre sí hasta el punto de afectar al universo».
Añadió que si los agujeros negros primordiales fueran más ligeros que las masas planetarias, serían, incluso en escalas de tiempo cósmicas, tan pequeños que rara vez colisionarían. Estos agujeros negros primordiales podrían combinarse para crear los efectos gravitacionales que actualmente atribuimos a la materia oscura, como proporcionar una influencia gravitacional que impida que las galaxias que giran rápidamente sean arrastradas.
Sin embargo, si los agujeros negros primordiales tuvieran que agregarse para explicar los efectos de la materia oscura, ¿qué impediría que estos agujeros negros se reunieran y fusionaran para formar agujeros negros más grandes? ¿Un grupo de pequeños agujeros negros no se convertiría eventualmente en un agujero negro supermasivo? Esto ha sido investigado y la respuesta es simplemente: “No”, dijo Thos.
«Incluso si se tiene en cuenta la agrupación, las escalas de tiempo de fusión son tan largas que sólo se fusionarían en agujeros negros muy masivos durante toda la vida del universo», continuó.
Thos añadió que la belleza de utilizar los agujeros negros primordiales como explicación de la materia oscura es que, a diferencia de proponer una partícula hipotética como el eje para explicar el rompecabezas, los agujeros negros primordiales no requieren una extensión del modelo estándar de física de partículas. Nuestra mejor explicación del universo está en escalas subatómicas.
Sin embargo, sería muy difícil confirmar que los agujeros negros primordiales son materia oscura, si es que realmente explican este fenómeno. Una vez más, su naturaleza de atrapar la luz significa que son efectivamente invisibles. Además, en tamaños tan pequeños, no tienen los mismos efectos gravitacionales masivos que sus hermanos estelares y supermasivos.
Incluso entonces, si se descubriera un grupo de agujeros negros primordiales, no habría una forma real de distinguir entre muchos agujeros negros pequeños y un agujero negro grande.
A pesar de esta dificultad, Thos y Fernández-Alexander tienen la intención de permanecer al final de los agujeros negros primordiales, al menos en teoría. Si las partículas candidatas a materia oscura siguen sin emerger, tal vez la respuesta sea incitar a más físicos a comenzar a observar la barrera metafórica entre la física de partículas y la cosmología.
«No puedo decir que los agujeros negros primordiales hayan sido descartados alguna vez como candidatos a materia oscura, pero sí han sido ignorados durante un tiempo», dijo Fernández-Alexander. «Ahora que realmente no tenemos ninguna detección de partículas de materia oscura, creo que es cada vez más apropiado considerar esta opción».
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