La búsqueda de materia oscura requiere los mejores modelos, teorías e ideas posibles. Un nuevo artículo de Julia Monika Koulen, Stefano Profumo y Nolan Smyth, de la Universidad de California en Santa Cruz (UCSC), aborda el tamaño y la abundancia de uno de los candidatos más interesantes a materia oscura: los agujeros negros primordiales (PBH).
Los hallazgos se publican en el servidor de preimpresión arXiv.
En los estudios del universo primitivo, la formación de las primeras estrellas marcó un hito que arroja luz sobre el resto del tiempo, tanto en sentido figurado como literal. Los astrofísicos llaman a estas primeras estrellas estrellas de Población III. En otro giro maravillosamente extraño de la nomenclatura astronómica, se les llama así porque fueron el tercer tipo de estrella en ser descubierto, con estrellas jóvenes «ricas en metales» como nuestro Sol conformando la «Población I» y estrellas más viejas «pobres en metales» conformando la «Población II».
Las estrellas de Población III, por otro lado, estarían completamente libres de metales, ya que el proceso de fusión necesario para crear los elementos considerados «metales» en las estrellas (es decir, todo excepto el hidrógeno) aún no se habría formado.
Como nunca hemos observado directamente las estrellas de Población III, sabemos muy poco sobre ellas. Sin embargo, aún podemos simularlas, así como su entorno, para comprender mejor tanto a estas estrellas como al universo en el que nacieron. Esto es lo que intenta lograr el artículo de los investigadores de la UCSC. Creemos que estas estrellas se formaron en una zona del espacio llamada «minihalo», compuesta principalmente de materia oscura, por lo que los científicos han estado investigando de qué estaban realmente compuestos esos minihalos.
Los PBH son uno de los principales candidatos y podrían haber compuesto, o al menos interactuado, con estos halos de materia oscura. Comprender el efecto de estas singularidades en la formación de las primeras estrellas podría ofrecer una pista sobre si son un buen candidato para la existencia de «materia oscura» a gran escala que aún vemos influir en la evolución gravitacional del universo actual.
Simularlos, sin embargo, es más difícil de lo que parece. Los investigadores de la UCSC utilizaron un paquete de software llamado GIZMO para simular dos componentes principales del universo primitivo: la hidrodinámica y un escenario gravitacional de N cuerpos. La hidrodinámica intentó capturar el proceso por el cual el polvo y el gas afectaron la formación de las primeras estrellas, mientras que el escenario de N cuerpos intentó resolver la influencia gravitacional de tantos cuerpos grandes que se mueven rápidamente cerca unos de otros.
La simulación comenzó en una etapa muy temprana del universo y utilizó el modelo Lambda-Materia Oscura Fría, que los científicos utilizan como modelo estándar de la Cosmología del Big Bang, con otra biblioteca adicional llamada GRACKLE para manejar la dinámica del enfriamiento del gas, que también tiene un gran impacto en la formación de estrellas.
Al final de todas las simulaciones, los investigadores encontraron dos funciones muy distintas que los PBH podrían desempeñar: podrían actuar como semillas, provocando la formación de estrellas mucho antes de lo previsto, o podrían actuar como supresores, provocando que la formación estelar tome mucho más tiempo del previsto originalmente.
Si los PBH del universo primitivo son masivos (es decir, 100 veces o más el tamaño del Sol), siembran estrellas en el universo primitivo con mayor rapidez. Esto se logra incrementando la intensidad de las fluctuaciones de densidad, lo que a su vez crea más minihalos de materia oscura donde se forman las estrellas. Cabe destacar que, si existen muchos PBH masivos en las primeras etapas del universo, las primeras estrellas podrían surgir sorprendentemente antes de lo que predicen los modelos actuales; una predicción convincente y refutable que podría refutarse una vez que recopilemos más datos sobre las estrellas de Población III.
Los PBH más pequeños (aquellos con una masa aproximadamente 10 veces mayor que la del Sol) desempeñan un papel más complejo en el universo primitivo. Si no hay muchos, estos PBH incluso inhiben la formación de estrellas. Lo hacen mediante el «calentamiento de marea», que aumenta la temperatura del gas que normalmente se enfriaría y luego colapsaría formando las primeras estrellas.
Por otro lado, si los PBH pequeños fueran abundantes en el universo primitivo, acelerarían de nuevo la formación estelar, esta vez mediante su atracción gravitatoria acumulativa, conocida como efecto Poisson. En efecto, funcionan de forma similar a los PBH masivos: como un centro de gravedad alrededor del cual se fusionan el gas y el polvo.
Lo mejor de todas estas simulaciones es que ofrecen diferentes maneras de interpretar los datos que eventualmente recopilaremos sobre las estrellas más tempranas. Si se forman tempranamente, podría deberse a PBH supermasivos o a una abundancia de objetos más pequeños. Sin embargo, si se descubre que las primeras estrellas se formaron más tarde, esto constituye un buen argumento a favor de PBH relativamente pequeños, y todas las implicaciones que esto podría tener para la búsqueda de materia oscura.
En última instancia, no lo sabremos hasta que recopilemos más datos. El Telescopio Espacial James Webb es actualmente nuestra mejor opción para lograrlo, pero necesita obtener el tiempo de observación necesario para poder centrarse en la recopilación de datos. Otros observatorios, como el Square Kilometer Array (SKA), podrían revolucionar la cosmología de 21 cm, lo cual sería clave para observar lo suficientemente lejos en el universo como para determinar cuándo se iluminaron oficialmente las primeras estrellas. Cuando finalmente obtengamos esos datos, las predicciones realizadas en este artículo, así como en docenas de otros, finalmente se pondrán a prueba.
Con información de arXiv
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