Según Priyamvada Natarajan, el universo está repleto de agujeros negros. Cuerpos celestes invisibles con tanta gravedad que ni siquiera la luz puede escapar de ellos. Su número puede estar en los trillones. Y todos se originaron cuando el universo tenía solo una fracción de segundo.
Bueno, el astrónomo indio, afiliado a la Universidad Americana de Yale, por supuesto no está seguro. Todavía no hay pruebas convincentes reales. “Pero es una idea plausible”, dice Natarajan. Junto con dos colegas, pronto publicará un importante artículo al respecto en la revista especializada. El diario astrofísico†
La belleza de la idea especulativa: matas tres pájaros de un tiro. Tres problemas apremiantes en astronomía desaparecerán como la nieve al sol si el Big Bang, que anunció el nacimiento del universo hace 13.800 millones de años, fuera de hecho una fábrica de agujeros negros. No es de extrañar que esos ‘agujeros negros primordiales’ (agujeros negros primordiales) han ganado popularidad en los últimos años.
tipos rudos
Los astrónomos conocen dos tipos de agujeros negros: ligeros y pesados. Conceptos relativos, porque las muestras de luz ya pesan entre 2,5 y aproximadamente 25 veces más que nuestro sol. Son los restos de estrellas gigantes explotadas. Los agujeros negros de la segunda categoría pueden tener unos pocos millones o incluso unos miles de millones de veces la masa del Sol. Esos agujeros negros supermasivos se encuentran en los núcleos de galaxias como nuestra propia Vía Láctea.
Sin embargo, en los últimos años, los astrónomos han medido ondas gravitacionales (ondas diminutas en el espacio vacío) que emanan de agujeros negros en colisión en las profundidades del universo. Las medidas muestran que a veces son decenas de veces más pesados que el sol. Difícil de explicar con las teorías actuales. Excepto si no fueron creados por explosiones estelares, sino mucho antes, durante el Big Bang. Problema 1 resuelto.
También hay algo extraño en los supermasivos en los núcleos de las galaxias. Deben haberse engordado con el tiempo al tragar grandes cantidades de gas y estrellas de su entorno. Eso lleva tiempo, por supuesto. Sin embargo, a enormes distancias en el cosmos, donde miras miles de millones de años atrás en el tiempo, todos esos tipos duros han sido encontrados. ¿Cómo pudieron existir agujeros negros tan gigantescos tan pronto después del Big Bang? Quizás porque los primeros ‘gérmenes’ ya estaban allí desde el nacimiento del universo. Salir del problema 2.
El tercer y quizás el problema más importante que los agujeros negros primordiales ofrecen una solución es el misterio de la materia oscura. Las mediciones de gravedad muestran que debe haber seis veces más materia en el universo de lo que los astrónomos pueden ver con telescopios. La composición del universo te dice que la materia oscura no puede consistir en núcleos atómicos ordinarios. Las búsquedas de partículas elementales desconocidas hasta ahora no han arrojado nada. Tampoco pueden ser agujeros negros «ordinarios»: no son lo suficientemente numerosos. Pero si billones de agujeros antiguos se formaron poco después del Big Bang, el problema de la materia oscura también desapareció.
Bernard Carr, de la Universidad Queen Mary de Londres, no cree que sea una idea descabellada. «Por lo general, se supone que la materia oscura está formada por alguna partícula misteriosa», dice, «pero eso se debe principalmente a que hay muchos más físicos de partículas que astrónomos». Ahora que todavía no se encuentra esa partícula «totalmente hipotética», la gente está empezando a rascarse la cabeza, dijo Carr. «Sabemos que existen agujeros negros, no necesitas un concepto completamente nuevo para ellos».
Stephen Hawking
No debería sorprender que Carr esté entusiasmado con los agujeros negros primordiales. En 1974, como estudiante de doctorado en la Universidad de Cambridge, publicó un artículo innovador sobre este tema. agujeros negros primordiales, junto a su entonces maestro Stephen Hawking. Aunque ya se había especulado en la década de 1960, incluso por parte del ruso Igor Novikov, su publicación realmente puso la idea en el mapa por primera vez.
Una fracción de segundo después del Big Bang, el Universo en expansión no solo estaba extremadamente caliente, sino que también era increíblemente denso. Pero no era exactamente igual en todas partes: tal vez había áreas diminutas donde la densidad era aún mucho más alta que el promedio, sugirieron Carr y Hawking. Estas áreas podrían colapsar por su propia gravedad en agujeros negros microscópicos: tan pequeños como un núcleo atómico, pero tan masivos como el Monte Everest.
Por un momento pareció que esta teoría podría resolver un enigma completamente diferente en astronomía. Los astrónomos habían descubierto misteriosas explosiones de rayos gamma de alta energía en el universo, y los agujeros primordiales de Carr y Hawking ofrecían una brillante explicación. Hawking calculó que los agujeros negros se evaporan lenta pero seguramente con el tiempo al emitir lo que ahora se llama radiación de Hawking, un efecto inevitable de la física cuántica. Esa evaporación se acelera a medida que el agujero negro se vuelve más ligero y termina con una violenta explosión. Para un agujero negro ‘ordinario’, ese proceso lleva un tiempo inimaginablemente largo, pero los agujeros microscópicos del origen del universo tendrían una vida útil de entre diez y veinte mil millones de años. Entonces deberías poder verlo explotar ahora.
Sin embargo, los estallidos cósmicos de rayos gamma parecían originarse de una manera diferente. los agujeros negros primordiales por Carr y Hawking nunca podría ser lo suficientemente numerosa como para explicar la materia oscura en el universo. Toda la idea cayó gradualmente en desgracia, sobre todo porque con el tiempo salieron a la luz muchos contraargumentos.
Así que cabría esperar que hubiera algún tipo de distribución natural en las masas de esos agujeros antiguos: increíblemente muchos muy pequeños, pero también innumerables especímenes de peso medio y una gran cantidad de chicos realmente pesados. Precisamente esos agujeros primordiales más grandes y pesados deberían revelar su existencia de muchas otras maneras, y no resultó ser el caso.
Además, las mediciones de precisión de la radiación cósmica de fondo de microondas, una especie de «resplandor» del Big Bang, muestran que las variaciones de densidad en el universo recién nacido fueron extremadamente pequeñas: una pequeña fracción del uno por ciento, que es demasiado pequeña para la producción. de agujeros negros. Es cierto que esas medidas solo se relacionan con áreas relativamente grandes, pero parece una ilusión suponer que a pequeña escala esto de repente sería completamente diferente. Por tanto, siempre ha habido muchos teóricos que refirieron resueltamente la idea de los agujeros negros primordiales al ámbito de las fábulas.
Agujeros antiguos bajo el radar
Pero la marea está cambiando, señala Carr, que ahora tiene 73 años. “Tengo más de 45 años en agujeros negros primordiales funcionó”, dice, “y en los últimos años otros investigadores han vuelto a entusiasmarse”. Como el astrónomo de Yale Priyamvada Natarajan, que ahora se ha metido en ello junto con Nico Cappelluti de la Universidad de Miami y Günther Hasinger, director científico de la Agencia Espacial Europea (ESA).
Poco después del nacimiento, el Universo experimentó algunas transiciones de fase discretas, algo similares a las transiciones de vapor de agua a agua líquida y de agua a hielo. Durante esas transiciones de fase, es posible que se hayan formado agujeros negros primordiales con masas bastante específicas, explica Natarajan a través de una conexión de Zoom desde India, donde visita a sus padres. Entonces no hay distribución de masa natural. Por ejemplo, los agujeros antiguos pueden haber permanecido bajo el radar astronómico hasta ahora.
Pero eso puede no durar mucho. Según Cappelluti, Hasinger y Natarajan, la existencia de agujeros negros primordiales pronto podría ser demostrada por el nuevo telescopio espacial James Webb, lanzado a fines de diciembre, o por el futuro detector de ondas gravitacionales LISA, lanzado por la ESA a mediados de la década de 1930.
Webb se remonta a unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang. Si el universo recién nacido estuviera poblado por agujeros negros primordiales, habrían ejercido una gravedad adicional en su entorno. Las estrellas y las galaxias se formaron mucho antes de lo que sugieren las teorías actuales, explica Natarajan, y Webb debería poder ver eso. También cabría esperar que los agujeros negros colisionaran más a menudo en la juventud del universo; después de todo, así es como se formaron los primeros supermasivos en los núcleos de las galaxias. LISA puede detectar las ondas gravitacionales de esas primeras colisiones.
Trillones de agujeros negros tan antiguos como el universo mismo, y que a pesar de su naturaleza oscura arrojan nueva luz sobre el misterio de la materia oscura: Bernard Carr está ansioso por obtener pruebas de su existencia. «Las pistas son cada vez más fuertes», dice, «tal vez tengamos la respuesta en una década».
Registros de agujeros negros
– Eso primer agujero negro El que se ha identificado con certeza es Cygnus X-1, en 1971. Está ubicado en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, a 7200 años luz de distancia en la constelación del Cisne, y pesa más de 21 veces el Sol. El descubrimiento revolucionario fue realizado por Louise Webster y Paul Murdin del Observatorio de Greenwich.
– Eso agujero negro mas pesado descubierto hasta ahora reside en el núcleo de la galaxia TON 618, a unos 11 mil millones de años luz de distancia. Se estima que es 66 mil millones de veces más masivo que el Sol. Sin embargo, la determinación de la masa es incierta. En total, hay alrededor de 25 agujeros negros conocidos que probablemente tengan más de mil millones de masas solares.
– Eso agujero negro más ligero, llamado XTE J1819-254, pesa seis veces más que el Sol. Se encuentra a más de 20.000 años luz de distancia en la constelación de Sagitario. El agujero negro succiona gas de una estrella que lo orbita. Ese gas está tan caliente que emite rayos X; así fue como se descubrió el agujero negro.
– Eso agujero negro más cercano es XTE J1118+480, ubicado a unos 5.700 años luz de distancia en la constelación de la Osa Mayor. Es 6,5 veces más masivo que el sol. Los objetos candidatos más cercanos (y más livianos), como ‘el Unicornio’ (1500 años luz, 3 masas solares), no se sabe con certeza si son realmente agujeros negros.
– Los colisión más fuerte de dos agujeros negros fue detectado el 21 de mayo de 2019 por los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo. Los agujeros negros en colisión eran 66 y 85 veces más masivos que el Sol. El impacto se produjo a una distancia tan grande que las ondas gravitacionales tardaron 7.000 millones de años en llegar a la Tierra.