La búsqueda de mini agujeros negros desaparecidos dejados por el Big Bang puede estar a punto de intensificarse.
Justo cuando la trayectoria de estos diminutos agujeros negros parece haberse enfriado, un equipo internacional de científicos ha encontrado evidencia en física cuántica que podría reabrir el caso. Una de las razones por las que la búsqueda de los llamados agujeros negros primordiales es urgente es que han sido propuestos como candidatos potenciales para la materia oscura.
La materia oscura constituye el 85% de la masa del universo, pero no interactúa con la luz como lo hace la materia cotidiana. Esta es la materia de los átomos que forma las estrellas, los planetas, las lunas y nuestros cuerpos. Sin embargo, la materia oscura interactúa con la gravedad y este efecto puede ocurrir. impacto “Materia ordinaria” y luz. Perfecto para el trabajo de detective cósmico.
Si los agujeros negros del Big Bang existieran, serían muy pequeños (algunos tan pequeños como una moneda de diez centavos) y, por lo tanto, tendrían masas iguales a las de los asteroides o planetas. Sin embargo, al igual que sus homólogos más grandes, los agujeros negros de masa estelar, que pueden tener entre 10 y 100 veces la masa del Sol, los agujeros negros supermasivos, que pueden tener millones o incluso miles de millones de veces la masa del Sol, y los miniagujeros negros. del sol . El amanecer de los tiempos estará rodeado 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 pequeños agujeros negros primordiales en fuertes candidatos para la materia oscura. Pueden ser lo suficientemente pequeños como para que nadie los note, pero lo suficientemente poderosos como para afectar 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 campos clásica y La propia teoría de Einstein. Teoría de la relatividad y mecánica cuántica del universo primitivo. Este último explica el comportamiento de partículas como los electrones y los quarks y da lugar a la llamada teoría cuántica de campos (QFT).
La aplicación de QFT al universo naciente 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 fuera el caso, se descartaría por completo la existencia de agujeros negros primordiales como materia oscura.
«Los llamamos agujeros negros primordiales, y muchos investigadores creen que son fuertes candidatos para la materia oscura, pero tendrían que haber muchos para satisfacer esta teoría», dijo Jason Christiano, estudiante de posgrado de la Universidad de Tokio. Dijo en un comunicado. “Es interesante también por otras razones. Desde la reciente innovación en la astronomía de ondas gravitacionales, se han descubierto fusiones binarias de agujeros negros, lo que podría explicarse si los agujeros negros primordiales existen en grandes cantidades.
«Pero a pesar de estas poderosas razones para su abundancia prevista, no hemos visto ninguno de ellos directamente, y ahora tenemos un modelo que debería explicar por qué sucede esto».
Vuelve al Big Bang en busca de agujeros negros primordiales
Los modelos más favorecidos en cosmología sugieren que el universo comenzó hace unos 13.800 millones de años durante un período inicial de rápida inflación: el Big Bang.
Después de que aparecieron las primeras partículas 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 se produjera este enfriamiento, la luz no podía viajar por el universo. Esto se debe a que los electrones dispersan infinitamente los fotones, que son partículas de luz. Así, durante estas Edades Oscuras, el universo era esencialmente oscuro.
Sin embargo, una vez que los electrones libres pudieron unirse a los protones y dejar de rebotar, la luz finalmente pudo viajar libremente. Después de este evento, llamado la «última dispersión», y durante el siguiente período conocido como la «era de la reionización», el universo inmediatamente se volvió 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» global llamado fondo cósmico de microondas o CMB.
Mientras tanto, los átomos de hidrógeno que se crearon formaron las primeras estrellas, las primeras galaxias y los primeros cúmulos de galaxias. Ciertamente, algunas galaxias parecen tener más masa de la que sus componentes visibles pueden explicar, y este exceso se atribuye únicamente a la materia oscura.
Mientras que los agujeros negros de masa estelar se forman a partir del colapso y la muerte de estrellas masivas, y los agujeros negros supermasivos crecen a partir de fusiones sucesivas de agujeros negros más pequeños, los agujeros negros primordiales son anteriores a las estrellas, por lo que deben tener un origen único.
Algunos científicos creen que las condiciones en el universo temprano, denso y caliente, eran tales que parches más pequeños de materia podían colapsar bajo su propia gravedad para dar origen a estos pequeños agujeros negros, con un horizonte de sucesos no más ancho que una moneda de diez centavos, o quizás más pequeño que un protón. , dependiendo. Bloquearlos.
El equipo detrás de esta investigación había analizado previamente modelos de agujeros negros primordiales en el universo temprano, pero estos modelos no encajaban con las observaciones del CMB. Para corregir esto, los científicos aplicaron correcciones a la teoría principal sobre la formación de agujeros negros primordiales. Correcciones reportadas por QFT.
«Al principio, el universo era increíblemente pequeño, mucho más pequeño que el tamaño de un solo átomo. La inflación cósmica se expandió rápidamente en 25 órdenes de magnitud», dijeron en el comunicado Kavli IPMU y el director de RESCEU, Jun'ichi Yokoyama. «En ese momento, las ondas que viajaban a través de un espacio tan pequeño habrían tenido amplitudes relativamente grandes pero longitudes de onda muy cortas».
El equipo descubrió que estas ondas pequeñas pero poderosas pueden sufrir amplificación para convertirse en ondas mucho más grandes y más largas vistas por los astrónomos en el 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 cohesionados tendrían la capacidad de volver a formar ondas mucho más grandes que ellos mismos», dijo Yokoyama. «Este es un raro ejemplo en el que una teoría de algo en una escala extrema parece explicar algo en el otro extremo de la escala».
Si la teoría del equipo de que las fluctuaciones tempranas a pequeña escala en el universo podrían crecer e influir en las fluctuaciones a gran escala en el CMB es correcta, esto afectaría cómo crecen las estructuras en el universo. Medir las fluctuaciones del CMB puede ayudar a limitar la magnitud 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 poderosas en el universo primitivo es lo que condujo a la creación de agujeros negros primordiales», dijo Christiano. «Nuestro estudio sugiere que debería haber muchos menos agujeros negros primordiales de los que se necesitarían si fueran realmente candidatos fuertes para eventos de materia oscura o de ondas gravitacionales».
Los agujeros negros primordiales son hipótesis confirmadas actualmente. Esto se debe a que la naturaleza de los agujeros negros de masa estelar que atrapan la luz hace que sea difícil ver estos objetos más grandes, así que imagínese lo difícil que sería detectar un agujero negro con un horizonte de sucesos del tamaño de una moneda de diez centavos.
La clave para descubrir los agujeros negros primordiales tal vez no resida en la “astronomía convencional”, sino en medir 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 causadas por la colisión de agujeros negros primordiales, proyectos futuros, como la Antena Espacial con Interferómetro Láser (LISA), llevarán 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 ser responsables de la materia oscura.
La investigación del equipo fue publicada el miércoles (29 de mayo) en la revista Physical Review Letters.
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