Cuando se trata de agujeros negros primordiales sospechosos de ser materia oscura, su coartada puede estar desmoronándose. Los pequeños agujeros negros, creados segundos después del nacimiento del universo, pueden sobrevivir más de lo esperado, reavivando la sospecha de que los agujeros negros primordiales podrían explicar la materia oscura, el material más misterioso del universo.
Materia oscura Actualmente representa uno de los problemas más acuciantes de la física. Esto se debe a que, a pesar de constituir aproximadamente el 85% de la materia del cosmos, la materia oscura sigue siendo efectivamente invisible a nuestros ojos porque no interactúa con luz.
Porque las partículas que lo componen átomos que componen cosas «cotidianas» que podemos ver, como estrellaslos planetas y nuestros propios cuerpos interactúan claramente con la luz, lo que ha impulsado la búsqueda de partículas de materia oscura fuera del planeta. Modelo estándar de física de partículas. Muchos científicos creen que la respuesta aún podría estar dentro del Modelo Estándar; sin embargo, si consideramos un primo diminuto de los objetos cósmicos que normalmente consideramos tremendamente masivos e incluso monstruosos: los agujeros negros.
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Científico del Instituto Max Planck Valentin Thoss y Ana Fernandes Alexandre de la Universidad de Lisboa hay dos investigadores que han participado recientemente en este tipo de estudios. Postulan pequeños agujeros negros nacidos hace más de 13.800 millones de años, justo después de la Big Bangque no son más grandes que un protónpodrían agruparse y convertirse en sospechosos de materia oscura sin necesidad de nueva física.
Un cambio reciente en la forma de pensar sobre cómo se «evaporan» los agujeros negros no sólo ha provocado una reevaluación de la viabilidad de los agujeros negros primordiales como sospechosos de materia oscura, sino que a medida que la búsqueda de una partícula de materia oscura continúa sin resultados, más investigadores podrían comenzar a investigar. Mire más en serio 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 forma en el comienzo del universo», dijo Thoss a Space.com. «De hecho, dentro de la primera fracción de segundo del universo».
Explicó que todas las estructuras que observamos en el universo, desde los supercúmulos de galaxias hasta las galaxias dentro de sí mismas, se forman a partir de ligeras sobredensidades en el espacio presentes durante el universo temprano. 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, entonces esas manchas excesivamente densas podrían haber estimulado los agujeros negros primordiales.
Thoss añadió que, dependiendo del momento en el que pudo haber ocurrido este colapso, así como de la escala del colapso, estos agujeros negros primordiales tendrían masas muy diferentes. Los agujeros negros primordiales que Thoss y Fernandes Alexandre consideraron posibles candidatos a materia oscura tendrían masas que oscilarían entre unas pocas toneladas y mil toneladas, concretamente, menos que la masa de un planeta y más en la categoría de un pequeño asteroide.
Teniendo en cuenta que los agujeros negros más pequeños que los científicos han descubierto hasta la fecha, conocidos como agujeros negros de masa estelar, tienen masas equivalentes a entre 3 y 50 veces la del Sol, que a su vez es 2,2 veces 10 elevado a 27 (22 seguido de 26). ceros) toneladas: estos agujeros negros primordiales son increíblemente pequeños.
Al igual que sus homólogos de agujeros negros más grandes formados a partir del colapso de estrellas masivas o de la fusión de agujeros negros relativamente más pequeños, según Fernandes Alexandre, 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 Fernandes Alexandre.
Los pequeños agujeros negros primordiales habían sido previamente descartados como candidatos a materia oscura porque se cree que todos los agujeros negros «filtran» un tipo de radiación térmica teorizada por primera vez por Stephen Hawking en 1974 y posteriormente denominada «radiación de Hawking».
Cuanto más pequeño es un agujero negro, más rápidamente debería filtrarse Radiación de Hawking y, por tanto, más rápido debería evaporarse. Eso significa que si alguna vez existieron agujeros negros primordiales, los ejemplos más pequeños no deberían existir hoy; sin embargo, la materia oscura claramente sí existe.
«Los agujeros negros primordiales con las masas que Ana y yo estamos considerando ahora se habían considerado esencialmente descartados porque se suponía que se habían evaporado completamente en ese momento en el universo», dijo Thoss.
Sin embargo, un trabajo reciente de Giorgi Dvali, físico teórico de la Universidad de Munich que ha colaborado con Thoss y Fernandes Alexandre, ha sugerido que el proceso de evaporación se interrumpe en cierto punto. Esto significa que los agujeros negros primordiales de las masas que los científicos consideraban podrían alcanzar un estado semiestable.
«Para disminuir su masa mediante la emisión de radiación de Hawking, el agujero negro tiene que ‘reescribir’ su información, o algo más. Este proceso de reescritura lleva tiempo», explicó Fernandes Alexandre. «Se llama ‘carga de memoria’ debido a esta memoria que ahora tiene que transmitirse a otra cosa, y eso en cierto modo ralentiza el proceso de evaporación en general. Así que es una especie de estabilización».
¡Y ese «mecanismo de rescate» significa que los agujeros negros primordiales han vuelto como candidatos potencialmente a materia oscura!
¿Una viva imagen de la materia oscura?
Sin embargo, el hecho de que hoy en día puedan existir agujeros negros primordiales en el universo no significa que deban considerarse sospechosos de materia oscura. Da la casualidad de que hay otras razones para vincular estos pequeños agujeros negros hipotéticos con el misterioso contenido de materia del universo.
Quizás la conexión más obvia sea la falta de interacción de la materia oscura con la luz. La materia oscura no emite ni refleja luz, y el horizonte de sucesos que delimita todos los agujeros negros representa el punto en el que la velocidad de escape necesaria para cruzarlo supera la velocidad de la luz. Eso 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, en algún lugar alrededor de una masa planetaria, los agujeros negros primordiales se comportan como partículas de materia oscura para todos los propósitos que nos interesan», dijo Thoss. «La materia oscura no tiene colisiones en los modelos estándar, por lo que las partículas de materia oscura no interactúan entre sí hasta tal punto que afecten al universo».
Añadió que si los agujeros negros primordiales son más ligeros que las masas planetarias, entonces, incluso en escalas de tiempo cósmicas, serían tan pequeños que muy raramente colisionarían. Estos agujeros negros primordiales podrían agruparse para crear el efectos gravitacionales que actualmente atribuimos a la materia oscura, como proporcionar la influencia gravitacional que impide galaxias que giran rápidamente de volar lejos.
Sin embargo, si los agujeros negros primordiales tienen que agruparse para explicar los efectos de la materia oscura, ¿qué impediría que estos agujeros negros se junten y fusionen para crear agujeros negros más grandes? ¿No se convertiría un grupo de pequeños agujeros negros en un tremendo agujero negro? Thoss dijo que esto ha sido investigado y la respuesta es simplemente: «No».
«Incluso si se tiene en cuenta la agrupación, las escalas de tiempo para la fusión son tan largas que sólo se fusionarían en agujeros negros realmente masivos en todo el mundo. edad del universo,» él continuó.
Thoss añadió que la belleza de utilizar los agujeros negros primordiales como explicación de la materia oscura es que, a diferencia de sugerir una partícula hipotética como un axión para explicar el misterio, los agujeros negros primordiales no requieren una extensión del modelo estándar de física de partículas. la mejor explicación que tenemos del universo a escalas subatómicas.
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Aún así, será increíblemente difícil confirmar que los agujeros negros primordiales son materia oscura, si realmente explican el fenómeno. De nuevo, sus atrapamiento de luz la naturaleza significa que son efectivamente invisibles. Además, en tamaños tan diminutos, no tienen los mismos inmensos efectos gravitacionales que sus hermanos estelares y supermasivos.
Incluso entonces, si se detectara 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, Thoss y Fernandes Alexandre pretenden mantenerse en la cola de los agujeros negros primordiales, al menos en teoría. Si las partículas candidatas a la materia oscura siguen sin manifestarse, tal vez la respuesta sea lograr que más físicos comiencen a examinar la valla metafórica entre la física de partículas y la cosmología.
«Yo no diría que los agujeros negros primordiales alguna vez fueron descartados como candidatos a materia oscura; sin embargo, fueron ignorados por un tiempo», dijo Fernandes Alexandre. «Ahora, teniendo en cuenta el hecho de que realmente no tenemos ninguna detección de partículas de materia oscura, creo que se vuelve cada vez más relevante considerar esta opción».