¿Qué es la materia oscura? Esa pregunta ocupa un lugar destacado en las discusiones sobre la naturaleza del universo. Hay muchas explicaciones propuestas para la materia oscura, tanto dentro como fuera del Modelo Estándar.
Un componente propuesto de la materia oscura son los agujeros negros primordiales, creados en el universo primitivo sin una estrella en colapso como progenitor.
El problema de la materia oscura es el problema de la masa faltante. Las galaxias no deberían mantenerse unidas según su masa observable. Su masa observable son estrellas, gas, polvo y algunos planetas.
Debe estar presente alguna otra forma de masa para evitar que las galaxias se disipen esencialmente. La materia oscura es un nombre reservado para lo que sea que pueda ser esa masa faltante. El astrónomo Fritz Zwicky utilizó el término por primera vez en 1933 cuando observó el cúmulo de coma y encontró indicios de masa faltante. Alrededor del 90% del cúmulo de coma carece de masa, lo que Zwicky llamó «dunkle Materie».
Los agujeros negros primordiales (PBH) son uno de los principales candidatos a la materia oscura. En los primeros tiempos del universo, es posible que se hayan formado naturalmente bolsas de materia subatómica densa. Una vez lo suficientemente densos, podrían haber colapsado directamente en agujeros negros. A diferencia de sus homólogos astrofísicos, no tuvieron progenitores estelares.
Las observaciones recientes del JWST y los resultados de LIGO/Virgo respaldan la idea de que los PBH son materia oscura. Algunos investigadores van más allá y dicen que esta evidencia respalda la idea de que la materia oscura está compuesta exclusivamente de PBH y no tiene otros componentes.
Una nueva investigación sugiere que algunos de los primeros PBH se fusionarían y que LIGO/Virgo puede detectar las ondas gravitacionales de las fusiones. La investigación es «Restricciones de los agujeros negros primordiales de los eventos LIGO-Virgo-KAGRA O3» y está publicada en el servidor de preimpresión arXiv. El autor principal es M. Andrés-Carcasona, Ph.D. Estudiante del Instituto de Física de Altas Energías del Instituto de Ciencia y Tecnología de Barcelona.
En 2015, LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser) detectó su primera fusión de agujeros negros. En ese momento, los investigadores anunciaron esta nueva ventana al universo. Hasta entonces, las observaciones astronómicas se basaban en la radiación electromagnética, pero LIGO/Virgo cambió eso.
Ahora, Japón se ha unido a la colaboración LIGO/Virgo con su observatorio de ondas gravitacionales Karga, y el esfuerzo internacional se llama LIGO/Virgo/Karga (LVK). Juntos, los tres observatorios recopilan datos sobre ondas gravitacionales.
«Trabajos anteriores han explorado el uso de datos de GW para encontrar evidencia directa o indirecta de PBH», escriben los autores. «Las búsquedas específicas de objetos compactos de masa subsolar, que proporcionarían una señal irrefutable de la existencia de PBH, hasta ahora no han tenido éxito».
Los autores señalan que dentro de nuestro creciente conjunto de datos de GW, puede haber indicios de PBH que los métodos de otros investigadores no detectaron. Escriben que algunas de las masas componentes «… caen en regiones donde los modelos astrofísicos no las predicen, lo que potencialmente sugiere una población de PBH», escriben.
La función de masa de los PBH juega un papel importante en la formación de PBH. Su objetivo es actualizar las restricciones de masa de los PBH en los datos de GW. «Uno de nuestros objetivos es derivar restricciones que no dependan significativamente del escenario de formación subyacente. Por lo tanto, consideramos una variedad de funciones de masa de PBH diferentes», explican.
Los dos escenarios de formación subyacentes que mencionan son astrofísicos y primordiales. Dentro de la categoría primordial, hay diferentes formas en que se pueden formar los PBH, y todas están enredadas con la función de masa. Los autores explican que los PBH podrían explicar la totalidad de la materia oscura, pero sólo si están dentro del rango de 10-16 a 10-12 masas solares.
«Los PBH más ligeros se estarían evaporando hoy y sólo pueden constituir una pequeña porción del DM», escriben.
Los BH astrofísicos forman binarios y pueden fusionarse, enviando ondas gravitacionales. Si los PBH se fusionan, también emitirían ondas gravitacionales. Es posible que algunas de estas fusiones estén detrás de algunos de los datos de GW detectados por LIGO/Virgo/Karga en su tercera ejecución de observación.
Los investigadores presentan sus resultados en términos de un caso pesimista y un caso optimista. El caso pesimista dice que todas las observaciones de GW provienen de fusiones de agujeros negros astrofísicos (ABH), mientras que el caso optimista sugiere que algunas provienen de fusiones de PBH.
Su investigación y sus resultados involucran una cantidad tremendamente grande de términos y relaciones físicas complicadas. Pero la pregunta principal es si los PBH pueden contener materia oscura, ya sea en parte o en su totalidad. En ese contexto, ¿a qué se reducen los resultados?
Los investigadores dicen que en su análisis de una población de binarios tanto astrofísicos como primordiales, los PBH no pueden comprender por completo materia oscura. Como máximo, pueden constituir una pequeña porción.
«… en una población de binarios que consiste en agujeros negros primordiales y astrofísicos, encontramos que, en cada escenario, los PBH pueden constituir como máximo fPBH menor o igual a 10-3 de materia oscura en el rango de masa 1-200 solar masas.»
fPBH representa la fracción de materia oscura que pueden comprender los PBH, 10-3 significa 0,001, y el rango de masa solar se explica por sí mismo. No hace falta ser físico para entender lo que dicen. Los PBH pueden constituir sólo una pequeña fracción de la materia oscura en su análisis.
Puede que este no sea un estudio que genere titulares. Es una mirada bajo el capó de la astrofísica y la cosmología, donde equipos de investigadores trabajan duro para limitar y definir gradualmente diferentes fenómenos. Pero eso no socava su importancia.
Un día, podría aparecer un titular que grite: «¡Los físicos identifican la materia oscura! ¡Respuestas las grandes preguntas del universo!»
Si eso alguna vez sucede, cientos y miles de estudios como éste estarán detrás de ello.
Con información de arXiv
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