La búsqueda de los minúsculos agujeros negros desaparecidos que quedaron del Big Bang puede estar a punto de intensificarse.
Así como el camino para tal diminutos agujeros negros parecía haberse enfriado, un equipo internacional de científicos ha encontrado pistas en la física cuántica que podrían reabrir el caso. Una de las razones por las que la búsqueda de estos llamados agujeros negros primordiales es tan apremiante es que han sido sugeridos como posibles candidatos para materia oscura.
La materia oscura comprende el 85% de la masa del universo, pero no interactúa con la luz como lo hace la materia cotidiana. Esa es la materia formada por átomos que componen las estrellas, los planetas, las lunas y nuestros cuerpos. Sin embargo, la materia oscura interactúa con la gravedad y esta influencia puede afectar «materia ordinaria» y luz. Perfecto para el trabajo de detective cósmico.
Si los agujeros negros inducidos por el Big Bang realmente estuvieran ahí afuera, serían absolutamente pequeños (algunos podrían incluso ser tan pequeños como una moneda de diez centavos) y, por lo tanto, poseerían masas iguales a las de los asteroides o planetas. Aún así, al igual que sus homólogos más grandes, agujeros negros de masa estelarque puede tener masas de 10 a 100 veces la del sol, y agujeros negros supermasivosque puede tener masas millones o incluso miles de millones de veces la del Sol, los pequeños agujeros negros del comienzo de los tiempos estarían limitados por una superficie que atrapa la luz llamada «horizonte de sucesos.» El horizonte de sucesos impide que los agujeros negros emitan o reflejen luz, lo que convierte a los diminutos agujeros negros primordiales en un sólido candidato a la materia oscura. Pueden ser lo suficientemente pequeños como para pasar desapercibidos, pero lo suficientemente fuertes como para impactar el espacio.
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El equipo de científicos, del Centro de Investigación para el Universo Temprano (RESCEU) y el Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU, WPI) de la Universidad de Tokio, aplicó un marco teórico que combina la teoría de campo clásica, La relatividad especial de Einstein teoría, y mecánica cuántica al universo primitivo. Esto último explica el comportamiento de partículas como electrones y quarks y da lugar a lo que se llama teoría cuántica de campos (QFT).
La aplicación de QFT al cosmos infantil llevó al equipo a creer que hay muchos menos agujeros negros primordiales hipotéticos en el universo de lo que muchos modelos estiman actualmente. Si este es el caso, puede descartar por completo los agujeros negros primordiales como lo sospecha la materia oscura.
«Los llamamos agujeros negros primordiales, y muchos investigadores sienten que son un fuerte candidato para la materia oscura, pero sería necesario que hubiera muchos para satisfacer esa teoría», dijo Jason Kristiano, estudiante graduado de la Universidad de Tokio. dijo en un comunicado. «Son interesantes también por otras razones, ya que desde la reciente innovación de la astronomía de ondas gravitacionales, se han descubierto fusiones binarias de agujeros negros, que pueden explicarse si los agujeros negros primordiales existen en grandes cantidades.
«Pero a pesar de estas fuertes razones para su abundancia esperada, no hemos visto ninguna directamente, y ahora tenemos un modelo que debería explicar por qué es así».
De vuelta al Big Bang en busca de agujeros negros primordiales
Los modelos cosmológicos más populares sugieren que el universo comenzó alrededor de Hace 13,8 mil millones de años durante un período inicial de rápida inflación: el Big Bang.
Después de que las primeras partículas emergieron en el universo durante esta expansión inicial, el espacio finalmente se enfrió lo suficiente como para permitir que los electrones y los protones se unieran y formaran los primeros átomos. Fue entonces cuando nació el elemento hidrógeno. Además, antes de que ocurriera ese enfriamiento, la luz no podía viajar a través del cosmos. Esto se debe a que los electrones dispersan infinitamente los fotones, que son partículas de luz. Así, durante estas edades oscuras literales, el universo era esencialmente opaco.
Sin embargo, una vez que los electrones libres pudieron unirse con los protones y dejar de rebotar por todos lados, la luz finalmente pudo viajar libremente. Después de este evento, llamado «última dispersión,» y durante el siguiente periodo conocido como «la época de la reionización«, el universo se volvió instantáneamente transparente a la luz. La primera luz que brilló a través del universo en ese momento todavía puede verse hoy como un campo de radiación mayoritariamente uniforme, un «fósil» universal llamado «fondo cósmico de microondas» o «CMB».
Mientras tanto, los átomos de hidrógeno creados pasaron a formar las primeras estrellas, las primeras galaxias y los primeros cúmulos de galaxias. Y, efectivamente, algunas galaxias parecían tener más masa de la que sus constituyentes visibles pueden explicar, y este exceso se atribuía nada menos que a la materia oscura.
Mientras Se forman agujeros negros de masa estelar del colapso y muerte de estrellas masivas, y Los agujeros negros supermasivos crecen A partir de las sucesivas fusiones de agujeros negros más pequeños, los agujeros negros primordiales son anteriores a las estrellas; por lo tanto, deben tener un origen único.
Algunos científicos creen que las condiciones en el universo primitivo, cálido y denso, eran tales que fragmentos más pequeños de materia podían colapsar bajo su propia gravedad para dar lugar a estos minúsculos agujeros negros, con horizontes de sucesos no más anchos que una moneda de diez centavos, o tal vez incluso más pequeños que un protón, dependiendo de su masa.
El equipo detrás de esta investigación ha analizado previamente modelos de agujeros negros primordiales en el universo temprano, pero estos modelos no se han alineado con observaciones del CMB. Para rectificar esto, los científicos aplicaron correcciones a la teoría principal sobre la formación de agujeros negros primordiales. Correcciones informadas por QFT.
«Al principio, el universo era increíblemente pequeño, mucho más pequeño que el tamaño de un solo átomo. La inflación cósmica lo expandió rápidamente en 25 órdenes de magnitud», dijo en el comunicado el director de Kavli IPMU y RESCEU, Jun'ichi Yokoyama. «En ese momento, las ondas que viajaban a través de este pequeño espacio podrían haber tenido amplitudes relativamente grandes pero longitudes de onda muy cortas».
El equipo descubrió que estas ondas pequeñas pero fuertes pueden sufrir amplificación para convertirse en ondas mucho más grandes y largas que las que los astrónomos ven en la CMB actual. El equipo cree que esta amplificación es el resultado de la coherencia entre las primeras ondas cortas, que puede explicarse mediante QFT.
«Mientras que las ondas cortas individuales serían relativamente impotentes, los grupos coherentes tendrían el poder de remodelar ondas mucho más grandes que ellos mismos», dijo Yokoyama. «Este es un caso raro en el que una teoría de algo en una escala extrema parece explicar algo en el extremo opuesto de la escala».
Si la teoría del equipo de que las fluctuaciones tempranas a pequeña escala en el universo pueden crecer e influir en las fluctuaciones a gran escala en el CMB es correcta, esto afectará la forma en que crecieron las estructuras en el cosmos. Medir las fluctuaciones del CMB podría ayudar a limitar el tamaño de las fluctuaciones originales en el universo primitivo. Esto, a su vez, impone limitaciones a los fenómenos que dependen de fluctuaciones más cortas, como los agujeros negros primordiales.
«Se cree ampliamente que el colapso de longitudes de onda cortas pero fuertes en el universo primitivo es lo que crea los agujeros negros primordiales», dijo Kristiano. «Nuestro estudio sugiere que debería haber muchos menos agujeros negros primordiales de los que serían necesarios si realmente fueran un fuerte candidato para eventos de materia oscura u ondas gravitacionales».
Los agujeros negros primordiales son firmemente hipotéticos en este momento. Esto se debe a que la naturaleza de los agujeros negros de masa estelar que atrapan la luz hace que incluso estos objetos mucho más grandes sean difíciles de ver, así que imagina lo difícil que sería detectar un agujero negro con un horizonte de sucesos del tamaño de una moneda de diez centavos.
La clave para detectar agujeros negros primordiales puede no estar en la «astronomía tradicional», sino más bien en la medición de pequeñas ondas en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales. Si bien los detectores de ondas gravitacionales actuales no son lo suficientemente sensibles para detectar ondas en el espacio-tiempo desde Choque de agujeros negros primordialesproyectos futuros, como el Antena espacial de interferómetro láser (LISA), que llevará la detección de ondas gravitacionales al espacio. Esto podría ayudar a confirmar o rechazar la teoría del equipo, acercando a los científicos a confirmar si los agujeros negros primordiales podrían explicar la materia oscura.
La investigación del equipo fue publicada el miércoles (29 de mayo) en la revista Physical Review Letters.
