¿Podría la materia oscura ser agujeros negros?

• Título: Did LIGO Detect Dark Matter?
• Autores: Simeon Bird, Ilias Cholis, Julian B. Muñoz, Yacine Ali-Haïmoud, Marc Kamionkowski, Ely D. Kovetz, Alvise Raccanelli, Adam G. Riess
• Institución del primer autor: Department of Physics and Astronomy, Johns Hopkins University
• Astrobite original: Could dark matter be black holes?

Figura 1. Los rangos de masa para MACHOs descartados a partir de observaciones astrofísicas. El eje-x corresponde a la masa de los agujeros negros (en unidades de masa solar) y el eje-y muestra la fracción de la densidad total de materia oscura que puede explicarse a partir de esos agujeros negros. Cada linea de color bordea un rango de masas que ha sido descartado. La linea negra discontinua (PBH) corresponde a la región permitida para los agujeros negros primordiales parecidos a los agujeros detectados por LIGO. Fuente: Clesse et al, 2015.

El misterio de la naturaleza de la materia oscura se hace cada vez más profundo. Las partículas de materia oscura han conseguido evadir nuestros experimentos de detección directa una y otra vez, arrojando dudas sobre las teorías más populares (como los WIMPs), y abriendo la puerta a modelos de materia oscura cada vez más exóticos e inesperados. En medio de esta incertidumbre, una nueva posibilidad se abre camino. LIGO ha detectado ondas gravitacionales resultantes de la unión de dos agujeros negros. Esto puede parecer irrelevante para la materia oscura, pero los agujeros negros son de hecho un candidato razonable para explicar su existencia. No emiten luz y definitivamente interactuan a través de la fuerza gravitatoria, y estas son las dos propiedades más importantes de la materia oscura que conocemos.

Los agujeros negros de LIGO han dado nueva vida a la idea de materia oscura compuesta por objetos más grandes que partículas. Estas teorías se conocen como MACHOs (Massive Astrophysical Comptact Halo Objects – véase este otro astrobite). En el pasado, este tipo de materia oscura era una alternativa popular a materia oscura compuesta por partículas, pero muchos años de trabajo revelaron que la mayor parte de los posibles tamaños permitidos para estos objetos habrían trastocado el Universo de algún modo, dando lugar a un Universo diferente del que conocemos.

Por ejemplo, los agujeros negros con masas del orden de la masa de una estrella se habrían hecho notar en las observaciones de lenseado gravitacional (en particular a través del efecto conocido como microlensing – véase este astrobite). Agujeros negros más masivos habrían dejado su impronta en el Universo temprano, modificando el fondo cósmico de microondas (CMB, más información aquí). Éstos son sólo dos ejemplos de las muchas formas en las que las observaciones astrofísicas nos dicen qué masas no están permitidas para los MACHOs (ver Figura 1). Una masa que sí sería posible es del orden de 30 veces la masa solar, y resulta que LIGO ha detectado objetos de ¡precisamente esta masa!

La pregunta entonces es, si la materia oscura compuesta por agujeros negros es realmente consistente con la unión de agujeros observada por LIGO. El primer paso – confirmar que LIGO ha detectado agujeros negros con la masa adecuada – ya está dado. El siguiente paso es menos “sencillo”. LIGO debe detectar colisiones de agujeros negros que correspondan con las propiedades conocidas de la materia oscura.

Figura 2. Distribución espacial simulada de materia oscura en un cúmulo de galaxias. Las regiones más brillantes corresponden a densidades mayores, y por lo tanto presentarían un mayor ritmo de colisiones de agujeros negros. Fuente: National Geographic y Volker Springel et al.

Sabemos que la materia oscura fue una parte importante de la evolución del Universo temprano, con lo que los agujeros negros que podrían explicarla deben haber existido en este periodo, y por tanto no pueden ser los agujeros negros típicos que se forman tras la muerte de estrellas masivas. Deben ser un tipo de agujero negro que se forma mucho antes, conocido como “agujero negro primordial“.

¿Cómo podemos saber si LIGO ha detectado agujeros negros primordiales o estelares? La mayor diferencia entre ambos (a parte de su origen) es su localización. Los agujeros negros estelares deberían existir en regiones con muchas estrellas, mientras que los agujeros negros primordiales deberían existir preferentemente en regiones con mucha materia oscura. Estos dos tipos de regiones se solapan, pero no son idénticas.

Los agujeros negros primordiales, si realmente forman la materia oscura, tienen una restricción adicional: no solo deben existir en las zonas conocidas de abundancia de materia oscura, sino que también deben existir en cantidades determinadas. Sabemos bastante acerca de la masa de las acumulaciones (halos) de materia oscura existentes alrededor de galaxias y cúmulos de galaxias (ver Figura 2), y por tanto, si queremos que los agujeros negros primordiales expliquen toda la materia oscura, podemos predecir fácilmente cuántos de ellos deben existir.

En la actualidad es bastante dificil determinar con precisión la localización de una fuente de ondas gravitacionales, y por tanto no es posible verificar si las colisiones de agujeros negros observadas provienen de regiones con gran cantidad de estrellas o materia oscura. La forma de determinar si los agujeros negros de LIGO podrían explicar la materia oscura es investigar si el ritmo de detección de colisiones de LIGO se corresponde con el ritmo esperado basado en la cantidad de agujeros negros estimada.

Figura 3. Ritmo de colisión de agujeros negros primordiales como función de la masa del halo de materia oscura en la que se producen (en unidades de la masa solar). Las dos lineas corresponden a dos teorías distintas de la estructura de los halos de materia oscura. Fuente: artículo de hoy.

Éste es precisamente el tema del artículo de hoy. Los autores predicen el ritmo de colisiones de agujeros negros primordiales y lo comparan con las observaciones de LIGO. El ritmo de colisiones depende de la cantidad de agujeros negros primordiales, y de su distribución espacial (regiones con mayor densidad de ellos experimentarán un ritmo de colisión mayor). Dado que este cálculo requiere un conocimiento preciso de la distribución espacial de materia invisible, la predicción es un tanto aproximada, pero los autores han intentado utilizar la mayor cantidad posible de datos observacionales y simulados para construir hipótesis realistas acerca de la forma y masa de los halos de materia oscura. Los autores encontraron que el ritmo esperado de colisiones de agujeros negros primordiales (ver Figura 3) es de hecho consistente con el ritmo inferido de las observaciones de LIGO. Aunque este resultado es muy aproximado, como hemos mencionado, y ciertamente no descarta la hipótesis de que los agujeros de LIGO sean estelares, sí implica que todavía es posible que la materia oscura pueda estar constituida por estos objetos.

Según LIGO continúe detectando más y más señales de ondas gravitacionales podremos conocer el ritmo de colisiones de agujeros negros con mayor precisión, y la posibilidad de que estos formen la mayor parte de la materia oscura. Además, según otros detectores de ondas gravitacionales comiencen a recopilar datos, podremos tener información más precisa acerca de la localización de estas fuentes, lo que permitirá una comparación directa entre las distribuciones espaciales de agujeros negros y estrellas. A pesar de que todo esto suene tremendamente complicado, y posiblemente un poco inverosímil, es verdaderamente impresionante que la detección de ondas gravitacionales haya vuelto a abrir la puerta a discutir teorías alternativas acerca del origen de la materia oscura.