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Fondo cósmico de infrarrojos (CIB). Los colores más claros son las zonas más brillantes. Imagen: A. Kashlinsky. Fuente: NASA/JPL-Caltech.
La materia oscura es una misteriosa sustancia que compone la mayor parte del universo material, y en general se cree que es algún tipo de partícula exótica con mucha masa. Una visión alternativa interesante es que la materia oscura está hecha de los 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 Espacial de Vuelo Goddard de la NASA en Greenbelt (Maryland, EE.UU.) sugiere que esta interpretación se alinea con nuestro conocimiento de los brillos cósmicos de fondo infrarrojos y de rayos X y puede explicar las inesperadamente altas masas de agujeros negros fusionados detectadas el año pasado.
"Este estudio es un esfuerzo por reunir a un amplio conjunto de ideas y observaciones para probar lo bien que encajan, y el ajuste es sorprendentemente bueno", dice Alexander Kashlinsky, astrofísico de la NASA, en la nota de prensa de ésta. "Si esto es correcto, entonces todas las galaxias, incluida la nuestra, están incrustadas dentro de una vasta esfera de agujeros negros, cada uno con alrededor de 30 veces la masa del sol."
En 2005, Kashlinsky dirigió un equipo de astrónomos que usaron el telescopio espacial Spitzer de la NASA para explorar el resplandor de fondo de luz infrarroja en una parte del cielo. Los investigadores informaron de una agregación excesiva en la luz y concluyeron que probablemente estaba causada por luz agregada de las primeras fuentes que iluminaron el universo hace más de 13 mil millones de años.
Los estudios de seguimiento han confirmado que este fondo cósmico infrarrojo (CIB) mostró una estructura igual de inesperada en otras partes del cielo.
En 2013, otro estudio comparó el fondo cósmico de rayos X (CXB) detectado por el Observatorio Chandra de Rayos X de la NASA con el CIB de la misma zona del cielo. Las primeras estrellas emitían luz principalmente óptica y ultravioleta, que luego se estiró hacia el infrarrojo por la expansión del espacio, por lo que no deberían contribuir significativamente al CXB.
Sin embargo, el brillo irregular de rayos X de baja energía del CXB se correspondía bastante bien con la distribución irregular del CIB. El único objeto que sabemos que puede ser lo suficientemente luminoso a lo largo de todo este rango de energía es un agujero negro. El equipo llegó a la conclusión de que los agujeros negros primordiales debieron de haber sido abundantes entre las primeras estrellas, constituyendo al menos aproximadamente una de cada cinco de las fuentes que contribuyen al CIB.
Materia oscura
La naturaleza de la materia oscura sigue siendo uno de los problemas no resueltos más importantes de la astrofísica. Los científicos se inclinan por los modelos teóricos que explican la materia oscura como una partícula exótica masiva, pero hasta ahora las búsquedas no han podido obtener pruebas de que estas partículas hipotéticas existan. La NASA está investigando este problema como parte de sus misiones Espectrómetro Magnético Alpha y Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi.
"Estos estudios están proporcionando resultados cada vez más sensibles, reduciendo lentamente los parámetros en los que pueden encajar las partículas de materia oscura", dice Kashlinsky. "No haberlas encontrado ha renovado el interés por estudiar lo bien que podrían funcionar los agujeros negros primordiales como materia oscura."
Los físicos han descrito varias formas en que el universo caliente, en rápida expansión, pudo producir agujeros negros primordiales en los primeros milésimas de segundo después del Big Bang. Cuanta más edad tiene el universo cuando se producen estos mecanismos, más grandes pueden ser los agujeros negros. Y debido a que su ventana de creación tuvo una duración de sólo una pequeña fracción del primer segundo, los científicos creen que los agujeros negros primordiales deberían exhibir un estrecho rango de masas.
Ahora, un científico del Centro Espacial de Vuelo Goddard de la NASA en Greenbelt (Maryland, EE.UU.) sugiere que esta interpretación se alinea con nuestro conocimiento de los brillos cósmicos de fondo infrarrojos y de rayos X y puede explicar las inesperadamente altas masas de agujeros negros fusionados detectadas el año pasado.
"Este estudio es un esfuerzo por reunir a un amplio conjunto de ideas y observaciones para probar lo bien que encajan, y el ajuste es sorprendentemente bueno", dice Alexander Kashlinsky, astrofísico de la NASA, en la nota de prensa de ésta. "Si esto es correcto, entonces todas las galaxias, incluida la nuestra, están incrustadas dentro de una vasta esfera de agujeros negros, cada uno con alrededor de 30 veces la masa del sol."
En 2005, Kashlinsky dirigió un equipo de astrónomos que usaron el telescopio espacial Spitzer de la NASA para explorar el resplandor de fondo de luz infrarroja en una parte del cielo. Los investigadores informaron de una agregación excesiva en la luz y concluyeron que probablemente estaba causada por luz agregada de las primeras fuentes que iluminaron el universo hace más de 13 mil millones de años.
Los estudios de seguimiento han confirmado que este fondo cósmico infrarrojo (CIB) mostró una estructura igual de inesperada en otras partes del cielo.
En 2013, otro estudio comparó el fondo cósmico de rayos X (CXB) detectado por el Observatorio Chandra de Rayos X de la NASA con el CIB de la misma zona del cielo. Las primeras estrellas emitían luz principalmente óptica y ultravioleta, que luego se estiró hacia el infrarrojo por la expansión del espacio, por lo que no deberían contribuir significativamente al CXB.
Sin embargo, el brillo irregular de rayos X de baja energía del CXB se correspondía bastante bien con la distribución irregular del CIB. El único objeto que sabemos que puede ser lo suficientemente luminoso a lo largo de todo este rango de energía es un agujero negro. El equipo llegó a la conclusión de que los agujeros negros primordiales debieron de haber sido abundantes entre las primeras estrellas, constituyendo al menos aproximadamente una de cada cinco de las fuentes que contribuyen al CIB.
Materia oscura
La naturaleza de la materia oscura sigue siendo uno de los problemas no resueltos más importantes de la astrofísica. Los científicos se inclinan por los modelos teóricos que explican la materia oscura como una partícula exótica masiva, pero hasta ahora las búsquedas no han podido obtener pruebas de que estas partículas hipotéticas existan. La NASA está investigando este problema como parte de sus misiones Espectrómetro Magnético Alpha y Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi.
"Estos estudios están proporcionando resultados cada vez más sensibles, reduciendo lentamente los parámetros en los que pueden encajar las partículas de materia oscura", dice Kashlinsky. "No haberlas encontrado ha renovado el interés por estudiar lo bien que podrían funcionar los agujeros negros primordiales como materia oscura."
Los físicos han descrito varias formas en que el universo caliente, en rápida expansión, pudo producir agujeros negros primordiales en los primeros milésimas de segundo después del Big Bang. Cuanta más edad tiene el universo cuando se producen estos mecanismos, más grandes pueden ser los agujeros negros. Y debido a que su ventana de creación tuvo una duración de sólo una pequeña fracción del primer segundo, los científicos creen que los agujeros negros primordiales deberían exhibir un estrecho rango de masas.
LIGO
El pasado 14 de septiembre, las ondas gravitatorias producidas por la fusión de una pareja de agujeros negros a 1,3 millones de años luz de distancia fueron capturadas por las instalaciones del Observatorio de ondas Gravitatorias por Interferometría Láser, LIGO, en Hanford (Washington) y Livingston (Louisiana). Este evento supuso 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 las masas de los agujeros negros individuales, que tenían masas 29 y 36 veces la del sol, con un margen de error de unas cuatro masas solares. Estos valores eran inesperadamente grandes y sorprendentemente similares.
"Dependiendo del mecanismo que tuviera lugar, los agujeros negros primordiales podrían tener propiedades muy similares a las que detectó LIGO", explica Kashlinsky. "Si asumimos que este es el caso, que LIGO atrapó una fusión de agujeros negros formados en los inicios del universo, podemos ver las consecuencias que tiene esto en nuestra comprensión de cómo evolucionó el cosmos, en última instancia."
En un nuevo artículo, publicado en The Astrophysical Journal Letters, Kashlinsky analiza lo que podría haber ocurrido si la materia oscura hubiera consistido en una población de agujeros negros similares a los detectados por LIGO. Los agujeros negros habrían distorsionado la distribución de la masa en el universo temprano, añadiendo una pequeña fluctuación que tuvo consecuencias cientos de millones de años más tarde, cuando las primeras estrellas se empezaron a formar.
Durante gran parte de los primeros 500 millones de años del universo, la materia normal se mantuvo demasiado caliente para fundirse y formar las primeras estrellas. A la materia oscura no le afectaba la alta temperatura, ya que, cualquiera que sea su naturaleza, interactúa principalmente a través de la gravedad.
Agregándose por atracción mutua, la materia oscura colapsó primero en grupos llamados minihalos, que proporcionaron una semilla gravitotira que permitió que se acumulara la materia normal. Luego, gas caliente colapsó en los minihalos, creando bolsas de gas suficientemente densas para colapsar aún más por su cuenta y formar las primeras estrellas.
Kashlinsky muestra que si los agujeros negros hacen el papel de la materia oscura, este proceso se produce más rápidamente y produce fácilmente el abultamiento del CIB detectado en los datos de Spitzer, incluso aunque sólo una pequeña fracción de minihalos consiguieran producir estrellas.
A medida que el gas cósmico caía en los minihalos, sus agujeros negros constituyentes capturaban de forma natural parte de él. La materia que cae hacia un agujero negro se calienta y, en última instancia produce rayos X. En conjunto, la luz infrarroja de las primeras estrellas y los rayos X del gas que caía en los agujeros negros de materia oscura pueden explicar la concordancia observada entre la distribución irregular del CIB y el CXB.
De vez en cuando, algunos agujeros negros primordiales pasarían lo suficientemente cerca entre sí para ser capturados por la gravedad y formar sistemas binarios. Los agujeros negros de cada uno de estos sistemas binarios acabarían, eones después, emitiendo radiación gravitatoria, perdiendo energía orbital y haciendo una espiral hacia adentro, en última instancia fusionándose para formar un agujero negro más grande como el observado en el evento de LIGO.
"Las observaciones futuras de LIGO nos dirán mucho más sobre la población de agujeros negros del universo, y no pasará mucho tiempo antes de que sepamos si el escenario que se plantea debe sostenerse o descartarse", dice Kashlinsky.
Kashlinsky lidera el equipo de Goddard que está participando en la misión Euclides de la Agencia Espacial Europea (ESA), cuyo lanzamiento está previsto en 2020. El proyecto, denominado Librae, permitirá que el observatorio investigue las fuentes del CIB con alta precisión y determine qué parte fue producida por agujeros negros.
El pasado 14 de septiembre, las ondas gravitatorias producidas por la fusión de una pareja de agujeros negros a 1,3 millones de años luz de distancia fueron capturadas por las instalaciones del Observatorio de ondas Gravitatorias por Interferometría Láser, LIGO, en Hanford (Washington) y Livingston (Louisiana). Este evento supuso 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 las masas de los agujeros negros individuales, que tenían masas 29 y 36 veces la del sol, con un margen de error de unas cuatro masas solares. Estos valores eran inesperadamente grandes y sorprendentemente similares.
"Dependiendo del mecanismo que tuviera lugar, los agujeros negros primordiales podrían tener propiedades muy similares a las que detectó LIGO", explica Kashlinsky. "Si asumimos que este es el caso, que LIGO atrapó una fusión de agujeros negros formados en los inicios del universo, podemos ver las consecuencias que tiene esto en nuestra comprensión de cómo evolucionó el cosmos, en última instancia."
En un nuevo artículo, publicado en The Astrophysical Journal Letters, Kashlinsky analiza lo que podría haber ocurrido si la materia oscura hubiera consistido en una población de agujeros negros similares a los detectados por LIGO. Los agujeros negros habrían distorsionado la distribución de la masa en el universo temprano, añadiendo una pequeña fluctuación que tuvo consecuencias cientos de millones de años más tarde, cuando las primeras estrellas se empezaron a formar.
Durante gran parte de los primeros 500 millones de años del universo, la materia normal se mantuvo demasiado caliente para fundirse y formar las primeras estrellas. A la materia oscura no le afectaba la alta temperatura, ya que, cualquiera que sea su naturaleza, interactúa principalmente a través de la gravedad.
Agregándose por atracción mutua, la materia oscura colapsó primero en grupos llamados minihalos, que proporcionaron una semilla gravitotira que permitió que se acumulara la materia normal. Luego, gas caliente colapsó en los minihalos, creando bolsas de gas suficientemente densas para colapsar aún más por su cuenta y formar las primeras estrellas.
Kashlinsky muestra que si los agujeros negros hacen el papel de la materia oscura, este proceso se produce más rápidamente y produce fácilmente el abultamiento del CIB detectado en los datos de Spitzer, incluso aunque sólo una pequeña fracción de minihalos consiguieran producir estrellas.
A medida que el gas cósmico caía en los minihalos, sus agujeros negros constituyentes capturaban de forma natural parte de él. La materia que cae hacia un agujero negro se calienta y, en última instancia produce rayos X. En conjunto, la luz infrarroja de las primeras estrellas y los rayos X del gas que caía en los agujeros negros de materia oscura pueden explicar la concordancia observada entre la distribución irregular del CIB y el CXB.
De vez en cuando, algunos agujeros negros primordiales pasarían lo suficientemente cerca entre sí para ser capturados por la gravedad y formar sistemas binarios. Los agujeros negros de cada uno de estos sistemas binarios acabarían, eones después, emitiendo radiación gravitatoria, perdiendo energía orbital y haciendo una espiral hacia adentro, en última instancia fusionándose para formar un agujero negro más grande como el observado en el evento de LIGO.
"Las observaciones futuras de LIGO nos dirán mucho más sobre la población de agujeros negros del universo, y no pasará mucho tiempo antes de que sepamos si el escenario que se plantea debe sostenerse o descartarse", dice Kashlinsky.
Kashlinsky lidera el equipo de Goddard que está participando en la misión Euclides de la Agencia Espacial Europea (ESA), cuyo lanzamiento está previsto en 2020. El proyecto, denominado Librae, permitirá que el observatorio investigue las fuentes del CIB con alta precisión y determine qué parte fue producida por agujeros negros.
Referencia bibliográfica:
A. Kashlinsky: LIGO gravitational wave detection, primordial black holes, and the near-IR cosmic infrared background anisotropies. The Astrophysical Journal (2016). DOI: 10.3847/2041-8205/823/2/L25.
A. Kashlinsky: LIGO gravitational wave detection, primordial black holes, and the near-IR cosmic infrared background anisotropies. The Astrophysical Journal (2016). DOI: 10.3847/2041-8205/823/2/L25.
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