Artículo publicado por Francis Reddy el 24 de mayo de 2014 en NASA
La materia oscura es una misteriosa sustancia que compone la mayor parte del material del universo, y que ahora, comúnmente, se piensa que es alguna forma de partícula exótica masiva. Una interesante alternativa es que la materia oscura está hecha de agujeros negros que se formaron durante el primer segundo de la existencia de nuestro universo, conocidos como agujeros negros primordiales. Ahora, un científico del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, sugiere que esta interpretación se alinea con nuestro conocimiento del brillo de fondo cósmico en el infrarrojo y los rayos-X, y que puede explicar la masa inesperadamente alta de la fusión de agujeros negros detectada el año pasado.
Imagen de Spitzer en infrarrojo de una zona del cielo de Ursa Major Crédito: NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky (Goddard)
“Este estudio es un esfuerzo por unir un amplio conjunto de ideas y observaciones para poner a prueba lo bien que encajan, y encajan sorprendentemente bien”, comenta Alexander Kashlinsky, astrofísico en NASA Goddard. “Si esto es correcto, entonces todas las galaxias, incluyendo la nuestra, están incrustadas dentro de una vasta esfera de agujeros negros, cada uno con unas 30 veces la masa del Sol”.
En 2005, Kashlinsky dirigió a un equipo de astrónomos que usaron el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA para explorar el brillo de fondo de la luz infrarroja en una parte del cielo. Los investigadores informaron de una excesiva irregularidad en el brillo, y concluyeron que, probablemente, estaba provocado por la luz agregada de las primeras fuentes que iluminaron el universo hace más de 13 mil millones de años. Los estudios de seguimiento confirmaron que este fondo cósmico infrarrojo (CIB) mostraba una inesperada estructura similar a la de otras partes del cielo.
En 2013, otro estudio comparó el fondo cósmico de rayos-X (CXB) detectado por el Observatorio de rayos-X Chandra de la NASA con el CIB en la misma área del cielo. Las primeras estrellas emitieron principalmente en luz óptica y ultravioleta, la cual hoy está estirada al infrarrojo por la expansión del universo, por lo que no contribuyen significativamente al CXB.
Aun así el irregular brillo de los rayos-X de baja energía en el CXB encajaba con la heterogeneidad del CIB bastante bien. El único objeto que sabemos que puede ser lo bastante luminoso a lo largo de un rango de energía tan amplio es un agujero negro. El equipo de investigación concluyó que los agujeros negros primordiales debían haber sido abundantes entre las primeras estrellas, formando, al menos, una de cada cinco fuentes que contribuyen al CIB.
La naturaleza de la materia oscura sigue siendo uno de los problemas más importantes por resolver en la astrofísica. Los científicos actualmente se decantan por los modelos teóricos que explican la materia oscura como una partícula masiva exótica pero, por el momento, las búsquedas no han logrado llegar a ninguna prueba de que realmente existan estas hipotéticas partículas. La NASA está actualmente investigando este problema como parte de sus misiones Alpha Magnetic Spectrometer y Fermi Gamma-ray Space Telescope.
“Estos estudios proporcionan resultados cada vez más sensibles, disminuyendo lentamente los parámetros en los que pueden ocultarse las partículas de materia oscura”, comenta Kashlinsky. “El hecho de no lograr encontrarlos ha llevado a un renovado interés por el estudio de lo bien que podrían funcionar los agujeros negros primordiales – agujeros negros que se formaron en la primera fracción de segundo del universo – como materia oscura”.
Los físicos han esbozado algunas vías en las que el caliente universo en rápida expansión pudo producir agujeros negros primordiales en las primeras milésimas de segundo tras el Big Bang. Cuanto antes tuvieron lugar estos mecanismos, de mayor tamaño pueden ser los agujeros negros. Y debido a que la ventana para crearlos duró apenas una fracción de segundo, los científicos esperan que los agujeros negros primordiales muestren un estrecho rango de masas.
El 14 de septiembre de 2015, las ondas gravitatorias producidas por la fusión de un par de agujeros negros a 1300 millones de años luz fueron captadas por las instalaciones de (LIGO) en Hanford, Washington, y Livingston, Louisiana. Este acontecimiento marcó la primera detección de ondas gravitatorias, así como la primera detección directa de agujeros negros. La señal proporcionó a los científicos de LIGO información sobre la masa individual de los agujeros negros, que fue de 29 y 36 veces la del Sol, con un margen de error de 4 masas solares. Estos valores eran inesperadamente grandes, y sorprendentemente similares.
“Dependiendo del mecanismo en funcionamiento, los agujeros negros primordiales podrían tener propiedades muy similares a los que detectó LIGO”, explica Kashlinsky. “Si suponemos que éste sea el caso, que LIGO captó la fusión de dos agujeros negros que se formaron en los inicios del universo, podemos apreciar las consecuencias que tiene esto para nuestra comprensión de cómo evolucionó finalmente el cosmos”.
En su nuevo artículo, publicado el 24 de mayo en la revista The Astrophysical Journal Letters, Kashlinsky analiza lo que podría suceder si la materia oscura consistiera en una población de agujeros negros similares a los detectados por LIGO. Los agujeros negros distorsionan la distribución de masa en los inicios del universo, añadiendo una pequeña fluctuación que tiene consecuencias cientos de millones de años más tarde, cuando empiezan a formarse las primeras estrellas.
Durante gran parte de los primeros 500 millones de años del universo, la materia normal estaba demasiado caliente como para agruparse y formar las primeras estrellas. La materia oscura no se vio afectada por esta alta temperatura dado que, sea cual sea su naturaleza, interactúa principalmente mediante la gravedad. Agregándose mediante atracción mutua, la primera materia oscura colapsó en cúmulos conocidos como minihalos, los cuales proporcionaron una semilla gravitatoria que permitió la acumulación de la materia normal. El gas caliente colapsó hacia estos minihalos, dando como resultado bolsas de gas lo bastante densas como para colapsar aún más por sí mismas para formar las primeras estrellas. Kashlinsky demuestra que, si los agujeros negros desempeñan la parte de la materia oscura, este proceso tiene lugar más rápidamente y produce con mayor facilidad la heterogeneidad del CIB detectada en los datos de Spitzer, incluso si sólo una pequeña fracción de minihalos logra producir estrellas.
Cuando el gas cósmico cae en los minihalos, los agujeros negros que lo constituyen capturan de forma natural parte de él también. La materia que cae hacia un agujero negro se calienta y, finalmente, produce rayos-X. Juntos, la luz infrarroja de las primeras estrellas y los rayos-X del gas que cae en los agujeros negros de materia oscura pueden explicar la concordancia observada entre la irregularidad del CIB y el CXB.
Ocasionalmente, algunos agujeros negros pasarán lo bastante cerca como para ser capturados gravitatoriamente en sistemas binarios. Los agujeros negros de cada uno de estos sistemas binarios emitirán, durante eones, radiación gravitatoria, perdiendo energía orbital y cayendo en una espiral hasta, finalmente, fusionarse en un agujero negro de mayor tamaño similar al observado por LIGO.
“Futuras observaciones de LIGO nos dirán mucho más sobre la población del universo de agujeros negros, y no pasará mucho tiempo antes de que sepamos si el escenario que aquí esbozamos se apoya o se descarta”, comenta Kashlinsky.
Kashlinsky dirige un equipo científico con sede en Goddard que participa en la misión Euclid de la Agencia Espacial Europea, que actualmente tiene previsto su lanzamiento para 2020. El proyecto, conocido como LIBRAE, permitirá al observatorio estudiar las poblaciones fuente en el CIB con una alta precisión, y determinar qué porción está producida por agujeros negros.
