¿La materia oscura está formada por agujeros negros?

Diversas observaciones astronómicas indican que el materia ordinaria, que podemos ver o tocar, comprende sólo el 5 por ciento del balance total de masa y energía del universo. Pero en la Vía Láctea, por cada kilogramo de materia ordinaria presente en las estrellas, hay 15 kilogramos de materia oscuraque no emite luz e interactúa únicamente a través de su atracción gravitacional.

«La naturaleza de la materia oscura sigue siendo un misterio. La mayoría de los científicos piensan que está formado por partículas elementales desconocidas”, afirma. Przemek Mróz del Observatorio Astronómico de la Universidad de Varsovia, primer autor de dos artículos publicados en Naturaleza Y Serie de suplementos de revistas astrofísicas que ofrecen respuesta a la pregunta que da título a esta noticia. “Desafortunadamente, a pesar de décadas de esfuerzos, ningún experimento -incluidos los realizados con el Gran Colisionador de Hadrones- ha encontrado nuevas partículas que podrían ser responsables de la materia oscura”.

Desde la primera detección de ondas gravitacionales generadas por la fusión de un par de agujeros negros en 2015, los experimentos Ligo y Virgo han detectado más de 90 eventos de este tipo. Los astrónomos han observado que los agujeros negros suelen detectarse de esta manera mucho mas masivo (20-100 masas solares) que los previamente conocidos en la Vía Láctea (5-20 masas solares). “Explicar por qué estas dos poblaciones de agujeros negros son tan diferentes es uno de los mayores misterios de la astronomía moderna”, afirma Mróz.

Una posible explicación sugiere que los detectores Ligo y Virgo descubrieron una población de agujeros negros primordiales que pueden haberse formado temprano en el universo. Su existencia fue propuesta por primera vez hace más de 50 años por el famoso físico teórico británico Stephen Hawking y, de forma independiente, por el físico soviético Yakov Zeldovich. “Sabemos que el universo primitivo no era idealmente homogéneo: pequeñas fluctuaciones de densidad dieron origen a las galaxias y cúmulos de galaxias actuales”, explica Mróz. “Fluctuaciones de densidad similares, si exceden un contraste de densidad crítico, pueden colapsar y formar agujeros negros”.

Desde la primera detección de ondas gravitacionales, un número cada vez mayor de científicos ha planteado la hipótesis de que estos agujeros negros primordiales pueden constituir una fracción significativa, si no la totalidad, de la materia oscura. Esta hipótesis se puede verificar con observaciones astronómicas. Hay abundantes cantidades de materia oscura en la Vía Láctea. Si estuviera compuesto de agujeros negros, deberíamos poder detectarlos en nuestra vecindad cósmica. ¿Es posible hacer esto, dado que los agujeros negros no emiten luz detectable? Absolutamente sí.

Según la teoría de la relatividad general de Einstein, la luz puede ser desviada y desviada por el campo gravitacional de objetos masivos, un fenómeno llamado microlente gravitacional. “El microlente Ocurre cuando tres objetos –un observador en la Tierra, una fuente de luz y una “lente”– se alinean prospectivamente de manera ideal en el espacio”, explica. Andrzej Udalski, investigador principal por Ogle (Experimento de lentes gravitacionales ópticas). «Durante un evento de microlentela luz de la fuente se puede desviar y amplificar y observamos un aumento temporal en el brillo de la fuente”.

La duración de este aumento de brillo depende de la masa del objeto lente: cuanto mayor es la masa, más largo es el evento. los eventos de microlente por objetos de masa solar generalmente duran unas pocas semanas, mientras que los de agujeros negros cien veces más masivos que el Sol duran unos pocos años.

La idea de utilizar el microlente La gravedad para estudiar la materia oscura no es nueva. Fue propuesto por primera vez en la década de 1980 por el astrofísico polaco Bohdan Paczyński. Su idea inspiró el inicio de tres experimentos importantes: el Ogle polaco, el Macho americano y el Eros francés. Los primeros resultados de estos experimentos mostraron que los agujeros negros menos masivos que la masa del Sol pueden constituir menos del 10 por ciento de la materia oscura. Estas observaciones, sin embargo, no fueron sensibles a los acontecimientos de microlente en escalas de tiempo extremadamente largas y, por lo tanto, no eran sensibles a agujeros negros masivos, similares a los detectados recientemente por detectores de ondas gravitacionales.

En el nuevo artículo, publicado en la revista Serie de suplementos de revistas astrofísicaslos astrónomos de Ogle presentan los resultados de un El monitoreo fotométrico duró aproximadamente 20 años. 80 millones de estrellas perteneciente a una galaxia cercana, la Gran Nube de Magallanes, y la búsqueda de eventos de microlente gravitacional. Los datos analizados se recopilaron durante la tercera y cuarta fases del proyecto Ogle, de 2001 a 2020. «Este conjunto de datos proporciona las observaciones fotométricas más largas, amplias y precisas de las estrellas de la Gran Nube de Magallanes en la historia de la astronomía moderna». dice Udalski.

El segundo artículo, publicado el Naturalezailustra el consecuencias astrofísicas de los descubrimientos. «Si toda la materia oscura de la Vía Láctea estuviera compuesta por agujeros negros de 10 masas solares, deberíamos haber detectado 258 eventos oscuros microlente», explica Mróz. «Para los agujeros negros de 100 masas solares, esperábamos 99 eventos de microlente. Para agujeros negros de 1000 masas solares, 27 eventos de microlente».

Por el contrario, los astrónomos de Ogle encontraron solo 13 eventos De microlente. Su análisis detallado muestra que todos estos eventos pueden explicarse por poblaciones estelares conocidas en la Vía Láctea o la Gran Nube de Magallanes, no por agujeros negros. “Esto indica que los agujeros negros masivos pueden constituir como máximo un pequeño porcentaje de materia oscura”, afirma Mróz.

Cálculos detallados muestran que los agujeros negros de 10 masas solares pueden contener como máximo el 1,2 por ciento de la materia oscura, los agujeros negros de 100 masas solares el 3 por ciento de la materia oscura y los agujeros negros de 1.000 masas solares el 11 por ciento de la materia oscura.

«Nuestras observaciones indican que Los agujeros negros primordiales no pueden constituir una fracción significativa de la materia oscura. y, al mismo tiempo, explicar las tasas de fusión de agujeros negros medidas por Ligo y Virgo”, concluye Udalski.

Por lo tanto, Se necesitan más explicaciones sobre los enormes agujeros negros detectados por Ligo y Virgo. Según una hipótesis, se formaron como producto de la evolución de estrellas masivas con baja metalicidad. Otra posibilidad implica la fusión de objetos menos masivos en entornos estelares densos, como los cúmulos globulares.

Para saber mas:

• Sigue leyendo Serie de suplementos de revistas astrofísicas el artículo “Microlente profundidad óptica y tasa de eventos hacia la Gran Nube de Magallanes basada en 20 años de observaciones OGLE” de Przemek Mróz, Andrzej Udalski, Michał K. Szymański, Mateusz Kapusta, Igor Soszyński, Łukasz Wyrzykowski, Paweł Pietrukowicz, Szymon Kozłowski, Radosław Poleski, Jan Skowron, Dorota Skowron, Krzysztof Ulaczyk, Mariusz Gromadzki, Krzysztof Rybicki, Patryk Iwanek, Marcin Wrona y Milena Ratajczak
• Sigue leyendo Naturaleza el artículo “No hay agujeros negros masivos en el halo de la Vía Láctea” de Przemek Mróz, Andrzej Udalski, Michał K. Szymański, Igor Soszyński, Łukasz Wyrzykowski, Paweł Pietrukowicz, Szymon Kozłowski, Radosław Poleski, Jan Skowron, Dorota Skowron, Krzysztof Ulaczyk, Mariusz Gromadzki, Krzysztof Rybicki, Patryk Iwanek, Marcin Wrona y Milena Ratajczak