En un nuevo estudio, los físicos del MIT proponen que si la mayor parte de la materia oscura del universo está formada por agujeros negros primordiales microscópicos (una idea propuesta por primera vez en la década de 1970), entonces estos enanos gravitacionales deberían pasar a toda velocidad por nuestro sistema solar al menos una vez por década. Un paso como este, predicen los investigadores, introduciría un tambaleo en la órbita de Marte, en un grado que la tecnología actual podría detectar.
Tal detección podría respaldar la idea de que los agujeros negros primordiales son una fuente primaria de materia oscura en todo el universo.
«Dadas las décadas de telemetría de precisión, los científicos conocen la distancia entre la Tierra y Marte con una precisión de unos 10 centímetros», dice el autor del estudio David Kaiser, profesor de física y profesor Germeshausen de Historia de la Ciencia en el MIT.
«Estamos aprovechando esta región altamente instrumentada del espacio para intentar buscar un pequeño efecto. Si lo vemos, eso sería una verdadera razón para seguir persiguiendo esta deliciosa idea de que toda la materia oscura consiste en agujeros negros que se generaron en menos de un segundo después del Big Bang y han estado circulando por el universo durante 14 mil millones de años».
Kaiser y sus colegas informan sobre sus hallazgos en la revista Physical Review D. Los coautores del estudio son el autor principal Tung Tran, que ahora es estudiante de posgrado en la Universidad de Stanford; Sarah Geller Ph.D., que ahora es una posdoctorada en la Universidad de California en Santa Cruz; y Benjamin Lehmann, becario Pappalardo del MIT.
Más allá de las partículas
Menos del 20% de toda la materia física está hecha de cosas visibles, desde estrellas y planetas hasta el fregadero de la cocina. El resto está compuesto de materia oscura, una forma hipotética de materia que es invisible en todo el espectro electromagnético, pero se cree que impregna el universo y ejerce una fuerza gravitatoria lo suficientemente grande como para afectar el movimiento de las estrellas y las galaxias.
Los físicos han erigido detectores en la Tierra para tratar de detectar la materia oscura y determinar sus propiedades. En su mayor parte, estos experimentos suponen que la materia oscura existe como una forma de partícula exótica que podría dispersarse y desintegrarse en partículas observables a medida que pasa a través de un experimento determinado. Pero hasta ahora, estas búsquedas basadas en partículas han resultado infructuosas.
En los últimos años, otra posibilidad, introducida por primera vez en la década de 1970, ha recuperado fuerza: en lugar de adoptar una forma de partícula, la materia oscura podría existir como agujeros negros microscópicos primordiales que se formaron en los primeros momentos posteriores al Big Bang.
A diferencia de los agujeros negros astrofísicos que se forman a partir del colapso de estrellas viejas, los agujeros negros primordiales se habrían formado a partir del colapso de densos bolsillos de gas en el universo primitivo y se habrían dispersado por el cosmos a medida que el universo se expandía y se enfriaba.
Estos agujeros negros primordiales habrían colapsado una enorme cantidad de masa en un espacio diminuto. La mayoría de estos agujeros negros primordiales podrían ser tan pequeños como un solo átomo y tan pesados como los asteroides más grandes. Sería concebible, entonces, que gigantes tan diminutos pudieran ejercer una fuerza gravitatoria que pudiera explicar al menos una parte de la materia oscura. Para el equipo del MIT, esta posibilidad planteó una pregunta inicialmente frívola.
«Creo que alguien me preguntó qué pasaría si un agujero negro primordial atravesara un cuerpo humano», recuerda Tung, quien hizo un cálculo rápido con lápiz y papel para descubrir que si un agujero negro de ese tipo pasara a un metro de una persona, la fuerza del agujero negro empujaría a la persona 6 metros, o unos 20 pies de distancia en un solo segundo. Tung también descubrió que las probabilidades eran astronómicamente improbables de que un agujero negro primordial pasara cerca de una persona en la Tierra.
Despertado su interés, los investigadores llevaron los cálculos de Tung un paso más allá, para estimar cómo el paso de un agujero negro podría afectar a cuerpos mucho más grandes como la Tierra y la Luna.
«Hicimos una extrapolación para ver qué sucedería si un agujero negro pasara cerca de la Tierra y provocara que la Luna se tambaleara un poco», dice Tung. «Los números que obtuvimos no fueron muy claros. Hay muchas otras dinámicas en el sistema solar que podrían actuar como algún tipo de fricción para hacer que el tambaleo se amortiguara».
Encuentros cercanos
Para obtener una imagen más clara, el equipo generó una simulación relativamente simple del sistema solar que incorpora las órbitas y las interacciones gravitacionales entre todos los planetas y algunas de las lunas más grandes.
«Las simulaciones de última generación del sistema solar incluyen más de un millón de objetos, cada uno de los cuales tiene un efecto residual minúsculo», señala Lehmann. «Pero incluso modelando dos docenas de objetos en una simulación cuidadosa, pudimos ver que había un efecto real que podíamos analizar».
El equipo calculó la velocidad a la que un agujero negro primordial debería pasar a través del sistema solar, basándose en la cantidad de materia oscura que se estima que reside en una región dada del espacio y la masa de un agujero negro que pasa, que en este caso, asumieron que es tan masiva como los asteroides más grandes del sistema solar, en consonancia con otras limitaciones astrofísicas.
«Los agujeros negros primordiales no viven en el sistema solar. Más bien, están fluyendo a través del universo, haciendo lo suyo», dice la coautora Sarah Geller. «Y lo más probable es que pasen por el sistema solar interior en algún ángulo una vez cada diez años, más o menos».
Con esta velocidad, los investigadores simularon varios agujeros negros con masa de asteroide que pasaban por el sistema solar, desde distintos ángulos y a velocidades de unos 240 kilómetros por segundo (las direcciones y velocidades proceden de otros estudios sobre la distribución de la materia oscura en nuestra galaxia).
Se centraron en aquellos sobrevuelos que parecían ser «encuentros cercanos» o casos que causaban algún tipo de efecto sobre los objetos circundantes. Pronto descubrieron que cualquier efecto sobre la Tierra o la Luna era demasiado incierto como para atribuirlo a un agujero negro en particular. Pero Marte parecía ofrecer una imagen más clara.
Los investigadores descubrieron que si un agujero negro primordial pasara a unos cientos de millones de kilómetros de Marte, el encuentro provocaría un «bamboleo», o una ligera desviación en la órbita de Marte. En unos pocos años después de un encuentro de este tipo, la órbita de Marte debería desplazarse alrededor de un metro, un bamboleo increíblemente pequeño, dado que el planeta está a más de 225 millones de kilómetros de la Tierra. Y, sin embargo, este bamboleo podría ser detectado por los diversos instrumentos de alta precisión que monitorean Marte en la actualidad.
Si se detectara un bamboleo de este tipo en las próximas décadas, los investigadores reconocen que aún quedaría mucho trabajo por hacer para confirmar que el empuje provino de un agujero negro que pasaba por allí y no de un asteroide común y corriente.
«Necesitamos tener la mayor claridad posible sobre los antecedentes esperados, como las velocidades y distribuciones típicas de las rocas espaciales perforantes, en comparación con estos agujeros negros primigenios», señala Kaiser.
«Afortunadamente para nosotros, los astrónomos han estado rastreando rocas espaciales ordinarias durante décadas a medida que han volado a través de nuestro sistema solar, por lo que pudimos calcular las propiedades típicas de sus trayectorias y comenzar a compararlas con los muy diferentes tipos de trayectorias y velocidades que deberían seguir los agujeros negros primigenios».
Para ayudar con esto, los investigadores están explorando la posibilidad de una nueva colaboración con un grupo que tiene una amplia experiencia en la simulación de muchos más objetos en el sistema solar.
«Ahora estamos trabajando para simular una gran cantidad de objetos, desde planetas hasta lunas y rocas, y cómo se mueven todos ellos en escalas de tiempo largas», dice Geller. «Queremos introducir escenarios de encuentros cercanos y observar sus efectos con mayor precisión».
«Es una prueba muy interesante la que han propuesto, y podría decirnos si el agujero negro más cercano está más cerca de lo que creemos», dice Matt Caplan, profesor asociado de física en la Universidad Estatal de Illinois, que no participó en el estudio.
«Debo enfatizar que también hay un poco de suerte involucrada. El que una búsqueda encuentre o no una señal fuerte y clara depende del camino exacto que siga un agujero negro errante a través del sistema solar. Ahora que han comprobado esta idea con simulaciones, tienen que hacer la parte difícil: comprobar los datos reales».
Con información de Physical Review
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