Investigaciones recientes exploran el potencial del Telescopio Espacial Romano Nancy Grace para detectar agujeros negros primordiales con masa terrestre, una clase teórica de agujeros negros que se cree que se formaron durante la rápida inflación del universo primitivo. Estos hallazgos podrían confirmar las teorías de la inflación cósmica y sugerir que los agujeros negros primordiales contribuyen a la materia oscura, lo que tendría un profundo impacto en nuestra comprensión de la formación de galaxias y la historia del universo. Crédito: Issues.fr.com
Nuevos estudios sugieren la Nancy Grace telescopio espacial romano podría detectar agujeros negros primordiales en el universo temprano, confirmando potencialmente su papel en la inflación cósmica y como componentes de la materia oscura.
Cuando los astrofísicos observan el cosmos, ven diferentes tipos de agujeros negros. Van desde gigantescos agujeros negros supermasivos con miles de millones de masas solares hasta agujeros negros de masa intermedia (IMBH) difíciles de encontrar y agujeros negros de masa estelar más pequeños.
Pero podría haber otra clase de estos objetos: los agujeros negros primordiales (PBH) que se formaron en el comienzo mismo del Universo. Si existen, el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace debería poder detectarlos.
El concepto de este artista adopta un enfoque caprichoso para imaginar pequeños agujeros negros primordiales. En realidad, agujeros negros tan pequeños tendrían dificultades para formar los discos de acreción que los hacen visibles aquí. Crédito: NASACentro de vuelos espaciales Goddard
Formación de agujeros negros
Los agujeros negros de masa estelar se forman cuando estrellas masivas explotan como supernovas. Los SMBH crecen con el tiempo fusionándose con otros agujeros negros. Aún no está claro cómo se forman los IMBH, pero podría implicar fusiones entre agujeros negros de masa estelar o múltiples colisiones estelares en densos cúmulos estelares.
Los agujeros negros primordiales, si existen, no tenían ninguno de estos mecanismos.
“Si los encontramos, revolucionará el campo de la física teórica. »
— William DeRocco, investigador postdoctoral, Universidad de California Santa Cruz.
Impresión artística de fusiones binarias de agujeros negros. Cuando se fusionan, emiten ondas gravitacionales que observatorios como LIGO pueden detectar. Crédito: LIGO/A. simonnet
La física teórica y el telescopio espacial romano.
Nadie sabe si existen los agujeros negros primordiales. Son teóricos. Ningún proceso físico que conozcamos puede formarlos. Pero el Universo primitivo era muy diferente.
Nueva investigación publicada en Examen físico D muestra cómo el próximo Telescopio Romano de Nancy Grace podría detectar estos objetos primordiales de masa terrestre. Se llama “Revelando agujeros negros primordiales de masa terrestre con el telescopio espacial romano Nancy Grace”. El autor principal es William DeRocco, investigador postdoctoral de la Universidad de California, Santa Cruz.
“Detectar una población de agujeros negros primordiales con masa terrestre sería un hito increíble tanto para la astronomía como para la física de partículas, porque estos objetos no pueden formarse mediante ningún proceso físico conocido”, dijo el autor principal DeRocco. “Si los encontramos, revolucionará el campo de la física teórica. »
Los PBH podrían haberse formado cuando colapsaron regiones demasiado densas del universo inflacionario o dominado por la radiación. Crédito: Gema White
Condiciones del primer universo.
En el Universo moderno, sólo las estrellas con al menos ocho masas estelares pueden convertirse en agujeros negros. Las estrellas menos masivas se convertirán en estrellas de neutrones o enanas blancas. (El Sol se convertirá en un enano blanco.)
Pero las cosas eran diferentes al principio del Universo. Durante un período de rápida inflación, el espacio se expandió más rápido que la velocidad de la luz. En estas condiciones inusuales, las áreas densas podrían haberse derrumbado en PBH. La escala de estos objetos es notablemente pequeña. Serían del tamaño de la Tierra o más pequeños y tendrían horizontes de sucesos tan anchos como una moneda.
Los menos masivos habrían desaparecido por evaporación. Esto es lo que entendió Stephen Hawking. Pero algunos, tan masivos como la Tierra, podrían haber sobrevivido.
A Stephen Hawking se le ocurrió la idea de la evaporación de los agujeros negros. Planteó la hipótesis de que los agujeros negros se encogen lentamente a medida que escapa la radiación. El lento escape de lo que ahora se llama radiación de Hawking, con el tiempo, simplemente provocaría que el agujero negro se evaporara. Esta infografía muestra las vidas estimadas y el horizonte de sucesos (el punto más allá del cual los objetos que caen no pueden escapar del control gravitacional de un agujero negro) y los diámetros de los agujeros negros de varias masas pequeñas. Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA
El papel de las microlentes en la detección de agujeros negros
Aunque son teóricos, hay indicios de su presencia. Estas pistas provienen de microlentes gravitacionales.
Dos esfuerzos han utilizado microlentes para estudiar objetos en el Universo. Uno de ellos es OGLE, el Experimento de Lentes Ópticas Gravitacionales. Otro es MOA, Observaciones con microlentes en astrofísica. OGLE encontró 17 objetos aislados de masa terrestre en el espacio.
Estos objetos podrían ser PBH o planetas rebeldes. Desafortunadamente, es muy difícil hacer una distinción a nivel individual. Pero dado que la teoría predice la masa y abundancia de los planetas rebeldes, podría permitir al telescopio romano distinguirlos de los PBH.
El planeta OGLE-2012-BLG-0950Lb fue detectado mediante microlente gravitacional, un fenómeno que actúa como una lupa de la naturaleza. Crédito: LCO/D. bennett
“No hay manera de distinguir caso por caso los agujeros negros de masa terrestre de los planetas rebeldes”, dijo DeRocco. “Roman será extremadamente poderoso a la hora de diferenciar estadísticamente los dos. »
En su estudio, los autores explican este fenómeno con más detalle. “El punto clave es que, aunque los eventos de PBH y FFP no se pueden diferenciar evento por evento, las dos poblaciones se pueden distinguir por la distribución estadística de la duración de sus eventos. »Los científicos creen que Roman encontrará 10 veces más objetos en este rango de masa que los esfuerzos terrestres como OGLE y MOA.
El impacto del descubrimiento de los agujeros negros primordiales
Encontrar agujeros negros primordiales crearía una gran conmoción.
“Esto afectaría todo, desde la formación de galaxias hasta el contenido de materia oscura del universo y la historia cósmica”, dijo Kailash Sahu, astrónomo del Instituto Científico del Telescopio Espacial en Baltimore. Sahu no participó en la investigación, pero comprende el impacto que tendrían los resultados. “Confirmar su identidad será un trabajo duro y los astrónomos necesitarán mucho esfuerzo para convencerlos, pero valdría la pena. »
Si el Telescopio Espacial Romano puede detectar y confirmar los agujeros negros, podría ser un momento decisivo en la historia de la astronomía. Este descubrimiento proporcionaría pruebas contundentes de un período de rápida inflación en el Universo temprano, una era que aún no ha sido probada. Los físicos creen que debe haber existido un período como este, porque ayuda a explicar muchas otras cosas sobre el Universo.
Agujeros negros primordiales y materia oscura
Aún más interesante es que estos agujeros negros primordiales podrían contener un porcentaje de materia oscura. Un pequeño porcentaje, pero una mejora considerable con respecto a nuestra comprensión actual de qué es la materia oscura. Los científicos continúan buscando cosas como WIMP (partículas masivas de interacción débil) y otras partículas que podrían ser materia oscura, pero nunca las encuentran.
“La naturaleza de la materia oscura sigue siendo una de las cuestiones más acuciantes de la física fundamental. Aunque hay muchas pruebas convincentes que indican su existencia, su naturaleza microfísica sigue siendo desconocida”, explican los autores.
Lo bueno de Roman y PBH es que no requerirá ningún esfuerzo especial encontrarlos. Roman ya va a buscar planetas. “Se espera que el Estudio del Dominio del Tiempo del Bulto Galáctico de Roman observe cientos de eventos de microlentes de baja masa, lo que permitirá una caracterización estadística sólida de esta población”, escriben los autores en su artículo.
El Telescopio Espacial Romano Nancy Grace es un observatorio de la NASA diseñado para descubrir los secretos de la energía y la materia oscuras, buscar e fotografiar exoplanetas y explorar muchos temas de astrofísica infrarroja. Crédito: NASA
La misión más amplia del Telescopio Espacial Romano
Cada telescopio espacial que lanzamos es una nueva ventana a algún aspecto del Universo. El Telescopio Espacial Romano Nancy Grace ciertamente lo hará. “Si bien su estudio en el dominio temporal del Bulto Galáctico se centra en exoplanetas tanto unidos como no unidos, hemos demostrado que también tendrá una sensibilidad sin precedentes a la física más allá del Modelo Estándar”, escriben DeRocco y los co-investigadores en su artículo. Esto se debe a que puede “sondear la fracción de materia oscura compuesta de agujeros negros primordiales”, escriben.
“Este es un ejemplo interesante de algo que otros científicos podrían hacer con los datos que Roman ya va a obtener en su búsqueda de planetas”, dijo Sahu. “Y los resultados son interesantes, independientemente de que los científicos encuentren o no evidencia de la existencia de agujeros negros con la masa de la Tierra. De cualquier manera, fortalecería nuestra comprensión del universo.
¿Y quién no quiere una mejor comprensión del Universo?
Adaptado de un artículo publicado originalmente en Universe Today.
