Cómo los agujeros negros primordiales pueden explicar la materia oscura

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Durante casi 50 años, la comunidad científica ha luchado con un problema importante: simplemente no hay suficiente materia visible en el universo.

Todo lo que podemos ver (estrellas, planetas, polvo cósmico y todo lo demás) no puede explicar por qué funciona el universo, y los investigadores tienen que tener cinco veces más probabilidades de realizar observaciones. Según la NASA. Los científicos la llaman materia oscura porque no interactúa con la luz y es invisible.

En la década de 1970, los astrónomos estadounidenses Vera Rubin y W. Kent Ford confirmó la existencia de materia oscura observando estrellas que orbitan alrededor del borde de galaxias espirales. Observaron que estas estrellas se movían demasiado rápido para mantenerse unidas por la materia visible de la galaxia y su gravedad; en lugar de eso, debieron haberse separado. La única explicación es la gran cantidad de materia invisible que mantiene unida a la galaxia.

«Lo que ves en la galaxia remolino» Rubin dijo En ese momento, «no es lo que obtienes». Su trabajo se basó en una hipótesis desarrollada por el astrónomo suizo Fritz Zwicky en la década de 1930 y lanzó la búsqueda del esquivo objeto.

Desde entonces, los científicos han intentado dirigir e incluso construir la materia oscura. Grandes electrodomésticos Encuéntrelo, pero hasta ahora no ha habido suerte.

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

Archivo Bettman/Getty Images

El fallecido físico Stephen Hawking planteó la hipótesis de que la materia oscura podría estar oculta en los agujeros negros formados durante el Big Bang.

Ahora, un nuevo estudio realizado por investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts ha vuelto a centrar la teoría, revelando qué formó estos agujeros negros primordiales y potencialmente descubriendo un tipo completamente nuevo de agujero negro exótico en el proceso.

«Fue realmente una sorpresa maravillosa», dijo David Kaiser, uno de los autores del estudio.

«Utilizamos los famosos cálculos de Stephen Hawking sobre los agujeros negros, en particular su importante conclusión sobre la radiación emitida por los agujeros negros», dijo Kaiser. «Estos exóticos agujeros negros surgen al intentar resolver el problema de la materia oscura; son un subproducto de la explicación de la materia oscura».

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Los científicos han hecho muchas conjeturas sobre qué podría ser la materia oscura, desde partículas desconocidas hasta dimensiones adicionales. Pero la teoría de los agujeros negros de Hawking ha entrado en juego recientemente.

«La gente no lo tomó en serio hasta hace 10 años», dijo la coautora del estudio, Elba Alonso-Mansalve, estudiante de posgrado del MIT. Pensamiento, nada físico.

Ahora sabemos que casi todas las galaxias tienen un agujero negro en su centro, un descubrimiento de los investigadores de Einstein. ondas gravitacionales Un importante descubrimiento realizado al colisionar agujeros negros en 2015 dejó claro que están en todas partes.

«De hecho, el universo está lleno de agujeros negros», afirmó Alonso-Mansalve. «Pero a pesar de buscar en todos los lugares donde la gente espera encontrarla, la partícula de materia oscura no ha sido encontrada. No podemos decir que la materia oscura no sea una partícula, o que definitivamente sean agujeros negros. Podría ser una combinación de las dos. Pero ahora los agujeros negros se están tomando muy en serio como candidatos a materia oscura.

Otros Estudios recientes han confirmado la validez de la hipótesis de Hawking, pero el trabajo de Alonso-Mansalve y Kaiser, profesor de física y profesor Germeshausen de Historia de la Ciencia en el MIT, va un paso más allá y examina lo que ocurrió cuando se formaron por primera vez los agujeros negros primordiales. .

El estudiarPublicado el 6 de junio en la revista Physical Review Letters, revela que estos agujeros negros debieron haber aparecido en la primera quintillón de segundo después del Big Bang: «Es realmente temprano, y mucho antes que el momento en que existen los protones y los neutrones. Las partículas todos son creados, creados», dijo Alonso-Monsalve.

En nuestro mundo cotidiano, los protones y neutrones no se pueden detectar descompuestos y se comportan como partículas elementales. Sin embargo, sabemos que no existen porque están formados por pequeñas partículas llamadas quarks, unidas por otras partículas llamadas gluones.

«No se pueden encontrar quarks y gluones solos y libres en el universo en este momento porque hace mucho frío», añadió Alonso-Mansalve. “Pero al comienzo del Big Bang, cuando hacía mucho calor, se los veía como solteros e independientes. Así, los agujeros negros primordiales se forman absorbiendo quarks y gluones libres.

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Tal formación lo haría fundamentalmente diferente de los agujeros negros astrofísicos que los científicos suelen observar en el universo, que son el resultado del colapso de estrellas. Además, un agujero negro primordial es muy pequeño: sólo la masa de un asteroide se condensa, en promedio, en el volumen de un átomo. Pero si un número suficiente de estos agujeros negros primordiales han sobrevivido hasta el presente sin evaporarse en el Big Bang inicial, podrían representar toda o la mayor parte de la materia oscura.

Según el estudio, durante la formación de los agujeros negros primordiales debe haberse formado como subproducto otro tipo de agujero negro nunca antes visto. Estos habrían sido aún más pequeños: la masa de un RinoceronteSe condensa menos de un protón.

Estos pequeños agujeros negros, debido a su diminuto tamaño, pueden adquirir una propiedad rara y exótica de la sopa de quarks y gluones a partir de la cual se crean, llamada «carga de color». Es un estado de carga exclusivo de los quarks y gluones, que no se encuentra en la materia ordinaria, dijo Kaiser.

Esta carga de color los hace únicos entre los agujeros negros, que normalmente no tienen carga. «Es inevitable que incluso estos pequeños agujeros negros se formaran como subproducto[de la formación de agujeros negros primordiales]», dijo Alonso-Mansalve, «pero no existirían hoy porque ya se han evaporado».

Sin embargo, si fueran diez millonésimas de segundo en el Big Bang, cuando se formaron protones y neutrones, podrían haber dejado huellas observables al cambiar el equilibrio entre los dos tipos de partículas.

«El equilibrio entre cuántos protones y cuántos neutrones se crean es muy delicado y depende de qué otra materia había en el universo en ese momento. Si estos agujeros negros con carga coloreada todavía existieran, podrían haber cambiado el equilibrio entre protones y neutrones (a favor de uno u otro), y en los próximos años podremos medirlo», añadió.

La medición podría provenir de telescopios terrestres o sensores que orbitan satélites, dijo Kaiser. Pero puede haber otra manera de confirmar la existencia de estos exóticos agujeros negros, añadió.

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«La creación de una población de agujeros negros es un proceso muy violento que envía enormes ondas a través del espacio-tiempo circundante. Se centran en la historia cósmica, pero no en cero», dijo Kaiser, es un subproducto inesperado de agujeros negros muy comunes. «.

Qué significa esto para los experimentos actuales que intentan detectar la materia oscura Experimento de materia oscura LZ ¿En Dakota del Sur?

«La idea de que existen nuevas partículas atractivas es una hipótesis interesante», afirmó Kaiser. «Existen otros tipos de grandes experimentos, algunos de los cuales están en construcción, que buscan formas sofisticadas de detectar ondas gravitacionales. Y, de hecho, podrían detectar algunas señales falsas del muy violento proceso de creación de los agujeros negros primordiales.

Alonso-Monsalve añadió que los agujeros negros primordiales forman parte de la 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 el mismo tipo de materia?

Los agujeros negros primordiales han recuperado popularidad con el descubrimiento de las ondas gravitacionales, aunque se sabe poco sobre su formación, afirma Nico Cappelluti, profesor asistente en el Departamento de Física de la Universidad de Miami. No le interesan los estudios.

«Este trabajo es una opción interesante y viable para explicar la esquiva materia oscura», dijo Cappelluti.

El estudio es apasionante y propone un nuevo mecanismo para crear la primera generación de agujeros negros, afirmó Joseph S. y Sofía S. dijo Priyamvatha Natarajan, profesor de Astronomía y Física de Fruton. Tampoco le interesan los estudios.

«Todo el hidrógeno y el helio de nuestro universo actual se crearon en los primeros tres minutos, y si estos agujeros negros primordiales fueran lo suficientemente grandes, habrían afectado ese proceso y esos efectos habrían sido detectables», dijo Natarajan. .

«Me parece muy emocionante que se trate de una hipótesis comprobable mediante observación, que sugiere que la naturaleza puede crear agujeros negros desde tiempos muy tempranos a través de múltiples vías».

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