Durante más de cincuenta años, los científicos han teorizado que aproximadamente el 85% de la materia en el Universo está formada por una masa misteriosa e invisible. Desde entonces, múltiples campañas de observación han sido testigos indirectos de los efectos que esta «Materia Oscura» tiene en el Universo. Desafortunadamente, todos los intentos por detectarlo han fracasado, lo que lleva a los científicos a proponer algunas teorías muy interesantes sobre su naturaleza.

Una de esas teorías fue ofrecida por el fallecido y gran Stephen Hawking, quien propuso que la mayoría de la materia oscura en realidad podría ser un agujero negro primordial (PBH) más pequeño que un décimo de milímetro de diámetro. Pero después de poner esta teoría a través de su prueba más rigurosa hasta la fecha, un equipo internacional de científicos dirigido por el Instituto Kavli para la Física y las Matemáticas del Universo (IPMU) ha confirmado que no lo es.

El equipo fue dirigido por Hiroko Niikura, un estudiante candidato a doctorado con el Kavli IPMU, e incluyó investigadores de Japón, India y los Estados Unidos. Como indican en su artículo, que apareció recientemente en la revista Nature Astronomy , la falta de resultados en la investigación de la materia oscura los llevó a considerar la teoría de Hawking, que sugirió por primera vez en 1974.

Esta ilustración muestra cómo funcionan las lentes gravitacionales. La gravedad de un gran cúmulo de galaxias es tan fuerte que se dobla, ilumina y distorsiona la luz de las galaxias distantes detrás de él. Crédito: NASA, ESA, L. Calcada. technology.org

Esta teoría plantea que la mayoría de la materia oscura está formada por agujeros negros primordiales (PBH) formados poco después del Big Bang. Como el profesor Masahiro Takada, el investigador principal del IMPU y coautor del artículo, dijo a Universe Today por correo electrónico:

«Lo que predijo el profesor Hawking fue que, si hubiera pequeños parches de sobredensidad en el Universo temprano, esos parches podrían crear agujeros negros … Una vez que se formen los agujeros negros, se comportarán como materia oscura (porque es invisible e interactúa con otras partículas). sólo a través de la gravedad) «.

Esta teoría es atractiva porque no se basa en la existencia de partículas exóticas (pero aún no descubiertas). Además, poco después de que Hawking propusiera esta idea, los astrofísicos descubrieron que la inflación cósmica podría generar parches de sobredensidad en el Universo temprano debido a las fluctuaciones cuánticas, que podrían haber resultado en agujeros negros.

El equipo probó esta teoría mediante el uso del Telescopio Subaru en el Observatorio de Mauna Kea en Hawai para observar la galaxia de Andrómeda, que se encuentra a unos 2,54 millones de años luz de distancia. A diferencia de la mayoría de las galaxias en nuestro vecindario cósmico, Andrómeda es una de las aproximadamente 100 que se aproxima a nuestra galaxia , a una velocidad de 110 km por segundo (68 mi por segundo), y está destinada a chocar con ella.

Galaxia de Andromeda. Crédito: Wikipedia Commons / Adam Evans technology.org

Estos y otros factores contribuyeron a que fueran los mejores candidatos para probar la teoría de Hawking, explicó el Prof. Takada:

“La galaxia de Andrómeda es la galaxia más grande y cercana que contiene muchas estrellas en su interior. Por ejemplo, Andrómeda es mucho más grande que las nubes de Magallanes que son galaxias enanas. Por lo tanto, SI podemos observar estrellas en Andrómeda a la vez, podríamos encontrar eventos de microlentes de una estrella, el destello de su brillo, debido a un agujero negro en primer plano que pasa por delante de la estrella en el cielo «.

Si la teoría de Hawking fuera correcta, el espacio entre Andrómeda y nuestra galaxia se llenaría con PBHs. Esto daría lugar a un efecto de lente gravitacional, donde la fuerza gravitacional de todos estos pequeños agujeros negros causaría que los rayos de luz provenientes de las estrellas de Andrómeda se doblasen y se magnificaran.

Este efecto, que fue predicho por primera vez por Einstein y su Teoría de la Relatividad General en 1915, ha sido utilizado muchas veces por los astrónomos para ver objetos distantes aprovechando la presencia de objetos masivos entre ellos y la Tierra. Sin embargo, las oportunidades para tales eventos son raras, requiriendo una alineación fortuita entre el observador, el objeto distante y el que interviene.

Para maximizar sus posibilidades de capturar un evento, el equipo de investigadores usó la cámara digital Hyper Suprime-Cam del Telescopio Subaru, que es capaz de capturar imágenes completas de la galaxia de Andrómeda en un solo disparo. También tomaron múltiples imágenes de la galaxia para asegurarse de que captaran breves parpadeos provenientes de las estrellas de Andrómeda.

La concepción del artista muestra dos agujeros negros fusionados similares a los detectados por LIGO el 4 de enero de 2017. Crédito: LIGO / Caltech technology.org

Estos parpadeos indicarían que un agujero negro primordial pasaba frente a ellos, distorsionando y ampliando así su luz. Como explicó el profesor Takada:

“Si la materia oscura es PBH en lugar de partículas elementales como WIMP, podría pasar frente a una estrella en la galaxia de Andrómeda y provocar un evento de microlentes, el brillo de su brillo cambia con el tiempo de observación. Esta escala de tiempo en el cambio de brillo de la estrella depende de la masa y la velocidad de PBH. Si PBH es materia oscura, entendemos bien su velocidad: debe moverse con ~ 200km / s en el espacio interestelar, como lo muestra la curva de rotación de nuestra galaxia Vía Láctea o Andrómeda «.

En total, el equipo tomó 190 imágenes consecutivas de Andrómeda a lo largo de siete horas y las examinó atentamente para detectar posibles eventos. Dada la masa esperada de los agujeros negros primordiales, se anticiparon al menos 1000 eventos. Sin embargo, el equipo encontró evidencia de un solo evento, lo que indicaría que los agujeros negros primordiales constituirían menos del 0.1% de la masa de materia oscura.

Dicho esto, este posible evento (que duró aproximadamente una hora) fue un descubrimiento significativo, ya que es precisamente lo que los astrónomos esperarían de un PBH de masa ligera. Como Takada indicó, esto podría ser evidencia indirecta de un PBH causado por la inflación cósmica. Al mismo tiempo, podría ser evidencia de variabilidad estelar (es decir, un destello estelar), por lo que son necesarias más observaciones antes de que se pueda decir algo de manera definitiva.

Simulación de Illustris, mostrando la distribución de materia oscura en 350 millones por 300,000 años luz. Las galaxias se muestran como puntos blancos de alta densidad (izquierda) y como materia baryónica normal (derecha). Crédito: Markus Haider / Illustris
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De cara al futuro, el equipo planea realizar más observaciones de la galaxia de Andrómeda para confirmar su análisis. También esperan investigar una nueva teoría que postule cómo los agujeros negros binarios, que se han vuelto detectables por LIGO gracias a los eventos de ondas gravitacionales que crean, podrían de hecho ser agujeros negros primordiales.

«En resumen, nuestros resultados no pueden excluir por completo el escenario de materia oscura PBH, por lo que la materia oscura podría ser una partícula elemental desconocida, como la Partícula Masiva de Interacción Débil (WIMP)», concluye el Prof. Takada. «En este caso, esperamos que los experimentos subterráneos o aceleradores como el LHC encuentren partículas de materia oscura».

Mientras tanto, ¡la búsqueda de materia oscura difícil de alcanzar continúa! Y al igual que la primera detección de ondas gravitacionales, este descubrimiento desencadenará una revolución en el campo de la astronomía. Y como dijo Takada, «¡sería un descubrimiento del Premio Novel!»

Fuente:

https://www.technology.org/2019/04/08/now-we-know-that-dark-matter-isnt-primordial-black-holes/


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