Científico de la NASA sugiere posible vínculo entre el Primordial de los Agujeros Negros y Materia Oscura

La Materia Oscura es una sustancia misteriosa, componiendo la mayor parte del universo material, ahora ampliamente se cree que es algún tipo de partículas exóticas masiva. Una interesante visión alternativa es que la Materia Oscura está hecha de agujeros negros formados durante el primer segundo de existencia de nuestro universo, conocido como calabozos primordiales. Ahora un científico Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, sugiere que esta interpretación se alinea con nuestro conocimiento de infrarrojos cósmicos y el brillo de fondo de rayos x y puede explicar las masas inesperadamente de la fusión de agujeros negros detectados el año pasado.

"Este estudio es un esfuerzo para reunir a un amplio conjunto de ideas y observaciones para probar qué tan bien encajan, y el ajuste es sorprendentemente bueno," dijo Alexander Kashlinsky, un astrofísico en NASA Goddard. "Si esto es correcto, entonces todas las galaxias, incluyendo nuestra propia, están incrustadas dentro de una esfera inmensa de Agujeros Negros cada masa de cerca de 30 veces del Sol."

En 2005, Kashlinsky dirigió un equipo de astrónomos utilizando el telescopio espacial Spitzer de la NASA para explorar el brillo de fondo de luz infrarroja en una parte del cielo. Los investigadores informaron excesivos pliegues en el resplandor y concluyeron que probablemente fue causado por la luz agregada de las primeras fuentes para iluminar el universo hace más de 13.000 millones de años. Los estudios de seguimiento confirmaron que este fondo cósmico infrarrojo (CIB) demostró la estructura inesperada similar en otras partes del cielo.

En el 2013, otro estudio comparó cómo el fondo cósmico de rayos x (CXB) detectado por el Observatorio de rayos x Chandra de la NASA en comparación con la CIB en la misma zona del cielo. Las primeras estrellas emiten principalmente óptica y ULTRAVIOLETA la luz, que hoy se estira en el infrarrojo por la expansión del espacio, por lo que no contribuye significativamente a la CXB.

Aún el brillo irregular de rayos x de baja energía en la CXB había emparejado bastante bien los pliegues de la CIB. El único objeto que sabemos que puede ser lo suficientemente luminosa a través de  toda esta gama de la energía es un Agujero Negro. El equipo de investigación concluyó que calabozos primordiales debió ser abundantes entre las estrellas más tempranas, que constituyen por lo menos uno de cada cinco de las fuentes que contribuyen a la CIB.

La naturaleza de la Materia Oscura sigue siendo uno de los problemas sin resolver más importantes en astrofísica. Los científicos actualmente están a favor modelos teóricos que explican la Materia Oscura como una exótica partícula masiva, pero hasta ahora en las búsquedas no han podido subir evidencia que estas hipotéticas partículas existen realmente. NASA está investigando actualmente este problema como parte de su espectrómetro magnético Alpha y las misiones del telescopio del espacio de rayos Gamma Fermi.

"Estos estudios ofrecen resultados cada vez más sensibles, reduciendo poco a poco el cuadro de parámetros donde pueden ocultar las partículas de Materia Oscura,", dijo Kashlinsky. "El fracaso de encontrarles ha renovado interés en el estudio de cómo podrían trabajar los calabozos primordiales--Agujeros Negros formados en la primera fracción de segundo del universo--como Materia Oscura".

Los físicos han planteado varias formas en que el universo caliente, y su rápida expansión podría producir los calabozos primordiales en las primeras milésimas de segundo después del Big Bang. El más viejo el universo es cuando estos mecanismos toman, mayor pueden ser los Agujeros Negros. Y porque la ventana para la creación de les dura sólo una pequeña fracción de segunda primera, los científicos esperan que los calabozos primordiales exhibirían una gama estrecha de las masas.

El 14 de septiembre, las ondas gravitacionales producidas por un par de la fusión de Agujeros Negros 1.300 años luz lejos fueron capturados por las instalaciones del Observatorio de ondas gravitacionales interferómetro de láser (LIGO) en Hanford, Washington y Livingston, Luisiana. Este evento marca la primera detección de ondas gravitacionales, así como la primera detección directa de Negros Agujeros. La señal llega a los científicos LIGO con información sobre las masas de los Agujeros Negros individuales, que fueron 29 y 36 veces el Sol de masivos, más o menos unos cuatro masas solares. Estos valores fueron inesperadamente grandes y sorprendentemente similares.

"Dependiendo el mecanismo en el trabajos, primordiales Agujeros Negros podrían tener propiedades muy similares a lo que LIGO ha detectado," explicó Kashlinsky. "Si asumimos que este es el caso, que LIGO vio la fusión de Agujeros Negros en el universo temprano, veamos las consecuencias que ello tiene para nuestra comprensión del cosmos, en definitiva, la evolución."

Calabozos primordiales, si existen, podrían ser similares a los agujeros negros en fusión detectados por el equipo LIGO en 2014. Esta simulación por ordenador muestra en cámara lenta lo que esta fusión habría parecido de cerca. El anillo alrededor de los Agujeros Negros, llamado un anillo de Einstein, surge de todas las estrellas en una región pequeña directamente detrás de los orificios cuya luz se distorsiona por lentes gravitacionales. Las ondas gravitacionales detectadas por LIGO no se muestran en este video, aunque sus efectos pueden verse en el anillo de Einstein. Las ondas gravitacionales viajando hacia fuera detrás de los Agujeros Negros alteran las imágenes estelares que comprende el anillo de Einstein, haciendo que chapotea alrededor en el anillo incluso mucho después de que la fusión es completada. Las ondas gravitacionales viajando en otras direcciones provocan más débil, shorter-lived por todas partes chapotear fuera del anillo de Einstein. Si reproduce en tiempo real, la película iba a durar cerca de un tercio de segundo. Créditos: SXS Lensing

En su nuevo documento, publicado el 24 de mayo en The Astrophysical Journal Letters, Kashlinsky analiza lo que podría haber sucedido si la Materia Oscura consistió en una población de agujeros negros similares a los detectados por LIGO. Los Agujeros Negros distorsionar la distribución de masa en el universo temprano, añadiendo una pequeña fluctuación que tiene consecuencias cientos de millones de años más tarde, cuando las primeras estrellas se empiezan a formar.

Para gran parte del universo los primeros de 500 millones de años, materia normal seguía siendo demasiado caliente para unirse a las primeras estrellas. La Materia Oscura era inafectada por la alta temperatura porque, cualquiera que sea su naturaleza, principalmente interactúa a través de la gravedad. Agregación por atracción mutua, Materia Oscura primero se derrumbó en grupos llamados minihaloes, que proporcionó una semilla gravitacional en la materia normal que se acumula. Gas caliente se derrumbó hacia el minihaloes, resultando en los bolsillos de gas denso a colapsar aún más por cuenta propia en las primeras estrellas. Kashlinsky demuestra que si los Agujeros Negros juegan la parte de la Materia Oscura, este proceso se produce más rápidamente y fácilmente produce el lumpiness de la CIB detectada en los datos de Spitzer incluso si sólo una pequeña fracción de minihaloes administrar y producen estrellas.

Cuando el gas cósmico cayó en la minihaloes, sus constituyentes Agujeros Negros naturalmente captara algo de él también. La materia cae hacia un Agujero Negro calienta para arriba y en última instancia produce rayos x. Juntos, la luz infrarroja de las primeras estrellas y rayos x de gas cayendo en Agujeros Negros de materia oscura puede explicar el acuerdo observado entre los pliegues de la CIB y la CXB.

En ocasiones, algunos calabozos primordiales pasarán lo suficientemente cercanos para ser capturados gravitacionalmente en sistemas binarios. Los Agujeros Negros en cada uno de estos binarios, durante eones, emiten radiación gravitacional, pierden energía orbital y hacia adentro de la espiral, en definitiva se fusionan en un Agujero Negro más grande como el evento LIGO observado.

"Futuro LIGO de observar carreras nos dirá mucho más sobre que población del universo de los agujeros negros y no será mucho antes de que lo sabremos si el escenario que describen es compatible o descartado", dijo Kashlinsky.

Kashlinsky lidera equipo de ciencia centrado en Goddard que participa en la misión de Euclid de la Agencia Espacial Europea, que actualmente está programada para lanzar en el año 2020. El proyecto, denominado LIBRAE, permitirá que el Observatorio de las poblaciones de fuente en la CIB con la alta precisión de la sonda y determinar qué parte fue producido por agujeros negros.

By Francis Reddy
NASA's Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland

Last Updated: May 24, 2016

Editor: Ashley Morrow

Traducción: El Quelonio Volador