Además de partículas como los neutrinos estériles, los axiones y las partículas masivas de interacción débil (WIMP), un candidato principal para la materia oscura fría del universo son los agujeros negros primordiales: agujeros negros creados a partir de conglomerados extremadamente densos de partículas subatómicas en los primeros segundos tras el Big Bang.
Los agujeros negros primordiales (PBH) son clásicamente estables, pero como demostró Stephen Hawking en 1975, pueden evaporarse mediante efectos cuánticos, radiando casi como un cuerpo negro. Por lo tanto, tienen una vida útil proporcional al cubo de su masa inicial. Dado que han pasado 13 800 millones de años desde el Big Bang, solo los PBH con una masa inicial de un billón de kilogramos o más deberían haber sobrevivido hasta nuestros días.
Sin embargo, se ha sugerido que la vida útil de un agujero negro podría ser considerablemente mayor que la predicha por Hawking debido al efecto de carga de memoria, donde la carga de información que transporta un agujero negro lo estabiliza contra la evaporación.
Por lo tanto, los PBH que se creía que se habían evaporado podrían seguir presentes como materia oscura fría, con un peso inferior a unos 10 millones de kilogramos.
Un equipo de investigación japonés ha propuesto detectar la hipotética materia oscura de los PBH mediante el estudio de las ondas gravitacionales inducidas por las perturbaciones de la curvatura primordial que produjeron los PBH. Su trabajo se ha publicado en Physical Review D.
«Esta investigación es la primera del mundo en proponer que la evidencia de que los PBH son materia oscura se confirmará mediante futuras observaciones de ondas gravitacionales», declaró Kazunori Kohri, del Observatorio Astronómico Nacional de Japón en Tokio, afiliado a varias otras organizaciones de investigación en física del país.
A pesar de las numerosas búsquedas experimentales realizadas hasta la fecha, los físicos aún no han detectado indicios de materia oscura en aceleradores de partículas, en detectores subterráneos y bajo el hielo, ni mediante la exploración espacial, directa o indirecta.
«Si esta situación continúa, el escenario de pesadilla de la materia oscura, es decir, el escenario con solo materia oscura interactuando gravitacionalmente, cobrará importancia», escriben Kohri y sus coautores. La materia oscura macroscópica podría ser la respuesta, como el escenario de los agujeros negros profundos (PBH), si estos han sobrevivido hasta nuestros días.
La conclusión de Hawking de que los agujeros negros irradian significa que eventualmente se evaporarán por completo y dejarán de existir. Sin embargo, el cálculo de Hawking asumió un agujero negro semiclásico durante toda su vida, ignorando la reacción cuántica inversa de las partículas creadas en el agujero negro en evaporación.
El análisis completo revela un efecto de carga de memoria, descubierto por el físico teórico georgiano Gia Dvali en 2018. Al considerar un agujero negro como un condensado de gravitones, los presuntos portadores de la fuerza gravitacional, los microestados cuánticos son responsables de la entropía del agujero negro.
La «memoria» se refiere a la información almacenada en el agujero negro; esta información almacenada lo estabiliza, haciéndolo más resistente a la desintegración. Un estado del agujero negro se estabiliza gracias a la carga de su propia memoria. Este efecto cobra importancia cuando un agujero negro ha perdido aproximadamente la mitad de su masa inicial.
«Si creemos en el Efecto de Carga de Memoria, un tema candente en el campo de la gravedad cuántica», afirmó Kohri, «podemos construir una teoría con una incertidumbre mínima».
Aún no está del todo claro qué le sucede a un agujero negro cuando la carga de memoria se vuelve significativa: posiblemente se suprima la evaporación de Hawking, o quizás el agujero negro se desintegra en algunos grumos y ondas gravitacionales.
Kohri y sus coautores se centraron en la primera posibilidad. Dvali y sus colaboradores argumentaron que la tasa de emisión de Hawking se ve suprimida por una potencia entera de la entropía del agujero negro.
Los agujeros negros tienen una enorme cantidad de entropía; un agujero negro de Schwarzschild con la masa del Sol tiene una entropía de 1077 en unidades de la constante de Boltzmann. En comparación, la entropía del Sol es de 1058.
Por lo tanto, la vida útil de un agujero negro se prolonga considerablemente. Las restricciones cosmológicas imponen límites inferiores y superiores a los PBH en juego: Kohri y sus colegas se centran, por lo tanto, en PBH con una masa inicial superior a 100 kg y hasta 10 millones de kg.
Un mecanismo popular de producción de PBH es el colapso gravitacional de parches cosmológicos tempranos con perturbaciones de curvatura espacio-temporal extremadamente acentuadas. En esta era del universo dominada por la radiación, también se inducen cantidades significativas de ondas gravitacionales, con una frecuencia típica que se corresponde directamente con la masa inicial del PBH.
Al estudiar las propiedades observacionales de estas ondas gravitacionales en el universo actual, cálculos exhaustivos dieron como resultado los espectros de ondas gravitacionales existentes en la actualidad en función de la frecuencia, así como la relación señal-ruido esperada para un año de observaciones con los futuros observatorios de ondas gravitacionales propuestos.
Sus cálculos de los espectros de ondas gravitacionales inducidos esperados revelan que la materia oscura de PBH con una carga de memoria suficientemente pesada podría ser observable hoy en día, ya que induce ondas gravitacionales de frecuencia relativamente baja. Con este objetivo en mente, se están diseñando futuros observatorios, como el LISA (Antena Espacial de Interferometría Láser), el DECIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferometría Decihertz) en Japón, el Observatorio del Big Bang (BBO), propuesto por la Agencia Espacial Europea (ESA) para reemplazar al LISA cuando este haya alcanzado su límite de vida útil, y otros.

Kohri y sus colegas generaron gráficos de los espectros esperados en términos de la frecuencia de las ondas y extendieron sus ecuaciones para predecir las relaciones señal-ruido que se observarían en las observaciones reales.
Los investigadores también presentan criterios mediante los cuales los astrónomos de ondas gravitacionales podrían confirmar o descartar la hipótesis de la materia oscura PBH con carga de memoria. Aun así, la dinámica no lineal de la materia oscura PBH con carga de memoria determinará la forma detallada de las ondas gravitacionales.
La frecuencia pico de las ondas inducidas puede alcanzar los 30 megahercios, 3000 veces superior al pico de 10 kilohercios que detectan los dos LIGO en EE. UU. Sin embargo, los cálculos muestran una estela infrarroja en los espectros que implica frecuencias pico más bajas.
Estas podrían ser detectadas por el propuesto Cosmic Explorer, un observatorio terrestre de ondas gravitacionales de tercera generación que tendría el mismo diseño en forma de L que LIGO, pero con brazos de interferómetro de 40 km de longitud en lugar de los 4 km de LIGO.
Con información de Physical Review
Descubre más desde SKYCR.ORG: NASA, exploración espacial y noticias astronómicas
Suscríbete y recibe las últimas entradas en tu correo electrónico.



