Materia oscura: cómo los agujeros negros primordiales pueden explicar un misterio de larga data

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Desde hace unos 50 años, la comunidad científica se enfrenta a un gran problema: no hay suficiente materia visible en el universo.

Toda la materia que podemos ver (estrellas, planetas, polvo cósmico y todo lo demás) no puede explicar por qué el universo se comporta como lo hace, y tendría que haber cinco veces más materia a nuestro alrededor para que las observaciones de los investigadores pudieran tener sentido. Según la NASA. Los científicos llaman a esta sustancia materia oscura porque no interactúa con la luz y es invisible.

En la década de 1970, los astrónomos estadounidenses Vera Rubin y… Kent Ford descubrió la existencia de materia oscura observando estrellas que orbitaban alrededor del borde de galaxias espirales. Observaron que estas estrellas se movían demasiado rápido para mantenerse unidas por la materia visible y la gravedad de la galaxia, y en su lugar deberían haber sido arrastradas por el viento. La única explicación era que había una gran cantidad de materia invisible que mantenía unida a la galaxia.

“Lo que ves en una galaxia espiral” robin dijo En ese momento, “eso no es lo que obtienes”. Su trabajo se basó en una hipótesis formulada por el astrónomo suizo Fritz Zwicky en la década de 1930 y comenzó la búsqueda de la esquiva materia.

Desde entonces, los científicos han intentado observar directamente la materia oscura e incluso construirla. Grandes electrodomésticos Para descubrirlo, pero hasta ahora no hemos tenido suerte.

Al principio de la investigación, el famoso físico británico Stephen Hawking planteó la hipótesis de que la materia oscura podría estar escondida en los agujeros negros, el tema principal de su trabajo, formados durante el Big Bang.

Ahora, un nuevo estudio realizado por investigadores del MIT ha vuelto a poner la teoría en el centro de atención, revelando de qué están hechos estos agujeros negros primordiales y, potencialmente, descubriendo un tipo completamente nuevo de agujero negro exótico en el proceso.

“En ese sentido, fue una sorpresa realmente agradable”, dijo David Kaiser, uno de los autores del estudio.

“Estábamos aprovechando los famosos cálculos de Stephen Hawking sobre los agujeros negros, especialmente su importante resultado sobre la radiación que emiten los agujeros negros”, dijo Kaiser. “Estos extraños agujeros negros surgen al intentar abordar el problema de la materia oscura. Son un subproducto de la explicación de la materia oscura”.

Los científicos han hecho muchas conjeturas sobre qué es la materia oscura, desde partículas desconocidas hasta dimensiones adicionales. Pero la teoría de Hawking sobre los agujeros negros sólo recientemente entró en vigor.

“La gente no lo tomó en serio hasta hace unos 10 años”, dijo la coautora del estudio, Elba Alonso Monsalve, estudiante de posgrado en el MIT. “Esto se debe a que los agujeros negros alguna vez parecieron realmente inverosímiles. A principios del siglo XX, la gente pensaba que eran simplemente un hecho matemático divertido, no solo un hecho físico”.

Ahora sabemos que casi todas las galaxias contienen un agujero negro en su centro, descubrieron los investigadores de Einstein ondas gravitacionales Creado a partir de la colisión de agujeros negros en 2015, un descubrimiento histórico, demostró que están en todas partes.

“De hecho, el universo está lleno de agujeros negros”, afirmó Alonso Monsalve. “Pero no se encontró ninguna partícula de materia oscura, a pesar de que la gente buscó en todos los lugares que esperaban encontrarla. Esto no significa que la materia oscura no sea una partícula, o que definitivamente se trate de agujeros negros. Podría ser una combinación de ambas. Pero ahora, “los agujeros negros se están tomando en serio como candidatos a materia oscura”.

último Estudios modernos Se confirma que la hipótesis de Hawking es cierta, pero el trabajo de Alonso Monsalvi y Kaiser, profesor de física y profesor de historia de la ciencia en el Instituto Germshausen del MIT, va un paso más allá y analiza exactamente qué sucedió cuando aparecieron por primera vez los agujeros negros primordiales. formado. .

el Estanciapublicado el 6 de junio en la revista Physical Review Letters, revela que estos agujeros negros debieron haber aparecido en la primera cincomillonésima de segundo del big bang: “Esto es muy temprano, mucho antes del momento en que aparecieron los protones y neutrones, “Se formaron las moléculas que lo componen todo”, dijo Alonso Monsalve.

Añadió que en nuestro mundo cotidiano no podemos encontrar protones y neutrones desintegrados, que son partículas elementales. Sin embargo, sabemos que no lo es, porque está formado por partículas más pequeñas llamadas quarks, unidas por otras partículas llamadas gluones.

“Ahora no se pueden encontrar quarks y gluones solos y libres en el universo porque hace demasiado frío”, añadió Alonso Monsalvi. “Pero a principios del Big Bang, cuando hacía mucho calor, se podrían haber encontrado solos y libres, por lo que los agujeros negros primordiales se formaron mediante la absorción de quarks y gluones libres.

Tal configuración lo haría radicalmente diferente de los agujeros negros astrofísicos que los científicos suelen observar en el universo, que son el resultado del colapso de las estrellas. El agujero negro primordial también sería mucho más pequeño, con sólo la masa del asteroide, en promedio, condensada al tamaño de un átomo. Pero si una cantidad suficiente de estos agujeros negros primordiales no se evaporaron al comienzo del Big Bang y sobrevivieron hasta el día de hoy, podrían ser responsables de toda o la mayor parte de la materia oscura.

Según el estudio, mientras se formaban los agujeros negros primordiales, otro tipo de agujero negro invisible debe haberse formado como una especie de subproducto. Esto habría sido más pequeño, sólo un bloque A. unicorniocondensado a menos del tamaño de un protón.

Estos diminutos agujeros negros, debido a su pequeño tamaño, pudieron capturar una rara y extraña propiedad de la sopa de quarks y gluones en la que se formaron, llamada “carga de color”. Es un estado de carga que se limita a los quarks y gluones, y nunca se encuentra en objetos ordinarios, afirmó Kaiser.

Esta carga de color lo haría único entre los agujeros negros, que normalmente no tienen carga de ningún tipo. “Es inevitable que estos agujeros negros más pequeños también se hubieran formado, como subproducto (de la formación de los agujeros negros primordiales), pero hoy ya no existirían, porque ya se habrían evaporado”, dijo Alonso Monsalve.

Sin embargo, si todavía estuviera a unas diez millonésimas de segundo del big bang, cuando se formaron los protones y los neutrones, podría haber dejado huellas dactilares observables al cambiar el equilibrio entre los dos tipos de partículas.

“El equilibrio entre el número de protones y el número de neutrones creados es muy delicado y depende de qué otra materia estaba presente en el universo en ese momento”, añadió. “Si estos agujeros negros con cargas coloreadas todavía existieran, entonces. podría cambiar el equilibrio entre protones y neutrones”. (Para uno u otro), lo cual es suficiente para medir eso en los próximos años”.

La medición podría provenir de telescopios terrestres o instrumentos sensibles en satélites en órbita, dijo Kaiser. Añadió que puede haber otra forma de confirmar la existencia de estos extraños agujeros negros.

“La formación de un grupo de agujeros negros es un proceso extremadamente violento que enviaría enormes ondas al espacio-tiempo circundante. Estas tasas disminuirán a lo largo de la historia cósmica, pero no hasta cero”, dijo Kaiser. “Un vistazo a los agujeros negros de pequeña masa, un estado exótico de la materia que fue un subproducto inesperado de agujeros negros más mundanos que podría explicar la materia oscura actual”.

¿Qué significa esto para los experimentos en curso que intentan detectar materia oscura, por ejemplo? Experimento de materia oscura LZ ¿En Dakota del Sur?

“La idea de partículas nuevas y extrañas sigue siendo una hipótesis interesante”, dijo Kaiser. Hay otro tipo de experimentos de gran tamaño, algunos en construcción, que buscan formas innovadoras de detectar ondas gravitacionales. En realidad, estos pueden captar algunas señales perdidas del proceso de formación extremadamente violento de los agujeros negros primordiales.

Alonso Monsalvi añadió que también existe la posibilidad de que los agujeros negros primordiales sean solo una pequeña porción de materia oscura. “En realidad, no tiene por qué ser lo mismo”, dijo. “Hay cinco veces más materia oscura que materia normal, y la materia normal está formada por un montón de partículas diferentes. Entonces, ¿por qué la materia oscura tiene que ser un tipo de objeto?”

Los agujeros negros primordiales recuperaron popularidad con el descubrimiento de las ondas gravitacionales, pero se sabe poco sobre su formación, según Nico Capellotti, profesor asistente en el Departamento de Física de la Universidad de Miami. No participó en el estudio.

“Este trabajo es una opción interesante y viable para explicar la esquiva materia oscura”, dijo Capellotti.

El estudio es apasionante y sugiere un nuevo mecanismo para la formación de la primera generación de agujeros negros, dijo Priyamvada Natarajan, profesor de Astronomía y Física Joseph S. y Sophia S. Fruton en la Universidad de Yale. Ella tampoco participó en el estudio.

“Todo el hidrógeno y el helio de nuestro universo actual se crearon en los primeros tres minutos, y si hubieran existido suficientes agujeros negros primordiales incluso entonces, habrían afectado ese proceso y esos efectos podrían haber sido detectables”, dijo Natarajan. .

“El hecho de que se trate de una hipótesis comprobable mediante observación es lo que me parece realmente interesante, aparte del hecho de que esto sugiere que la naturaleza probablemente creó agujeros negros desde los tiempos más remotos a través de múltiples vías”.