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¿Podría haber suficientes agujeros negros primordiales?

Las recientes detecciones de LIGO/VIRGO de ondas gravitacionales producidas por la fusión de agujeros negros han traido nuevamente a los agujeros negros primordiales (PBHs, por sus siglas en Inglés) a la lucha como potenciales candidatos a materia oscura. Esto se debe a que los agujeros negros detectados por LIGO, cuyas masas resultaron de algunas docenas de masas solares, bien podrían ser PBHs.

No obstante, incluso de manera más intrigante, existe otra ventana de oportunidad para PBHs mucho menos masivos de constituir toda la materia oscura. En el paper de hoy, Inomata et al. muestran que es posible producir suficientes PBHs con masas de aproximadamente 1020 g (la masa del asteroide Ida) de manera que sean candidatos a materia oscura viables; es decir, sin violar las nuevas y muy rigurosas restricciones que impuso la Hyper Suprime-Cam (ver aquí los resultados) sobre el número de PBHs permitidos.

¿Qué es un agujero negro primordial?

Los PBHs son hipotéticos agujeros negros formados en el universo muy temprano, típicamente durante el primer segundo de su existencia. Ellos son populares candidatos a materia oscura pues no implican ninguna física más allá del modelo estándar. Luego de que el período de expansión acelerado conocido como inflación finalizara (ver este astrobito en inglés para una explicación), regiones del universo mucho más densas que el promedio podrían haber colapsado gravitacionalmente y formado agujeros negros. Los PBHs más pequeños y livianos se habrían formado primero, mientras que los más grandes y pesados lo harían después. No obstante, como los PBHs se evaporan mediante la radiación de Hawking, aquellos más livianos deberían haberse evaporado completamente al día de hoy. De hecho, sólo PBHs con masas del orden de 1015 g (la masa Dactyl, la luna de Ida) o mayores podrían permanecer a nuestro alrededor en la actualidad.

¿Qué podemos aprender de ellos?

Tanto el número como el tamaño de las regiones de sobredensidad capaces de formar PBHs en el universo temprano dependen de la manera exacta en que ocurrió la inflación. Debido a que existen montones de modelos de inflación viables que difícilmente pueden distinguirse, los PBHs pueden servir como una herramienta útil para diferenciarlos. Ellos son particularmente prácticos, pues al ser mucho más pequeños que las escalas que el Fondo Cósmico de Microondas puede restringir nos permitirían ver detalles ocultos. Si conocemos el número de PBHs en el universo observable, el modelo inflacionario correcto tendría distintas características de acuerdo con tal número. Inversamente, si el modelo inflacionario estuviera completamente especificado, sabríamos cuántos PBHs esperar encontrar.

Por el momento, lo mejor que podemos hacer es imponer restricciones sobre el número de PBHs que pueden haber, lo cual a su vez puede ayudarnos para descartar modelos inflacionarios en los que se producen demasiados.

Nuevas restricciones y cómo esquivarlas

Las nuevas restricciones de la Subaru Hyper Suprime-Cam han impuesto restricciones más fuertes a cuántos PBHs puede haber en el rango de masas que abarca desde la masa del asteroide Ida (1020 g) hasta la masa de la Tierra (1028 g). El telescopio buscó efectos de microlensing gravitacional (ver este astrobite en inglés para una introducción al microlensing) producidos por PBHs pasando por delante de estrellas en la Vía Láctea y en M31. Si hubiera suficientes PBHs para constituir toda la materia oscura, deberían producirse muchos eventos de microlensing. Sin embargo, ellos sólo encontraron un posible candidato a PBH, el cual su análisis no pudo ni confirmar ni descartar. La comparación de la ausencia de detecciones con el número de eventos esperados (si los PBHs constituyeran toda la materia oscura) dio lugar a un estrechamiento en las restricciones sobre el número de PBHs de hasta 3 órdenes de magnitud.

Inomata et al. muestran que aún es posible producir suficientes PBHs de 1020 g para constituir toda la materia oscura, a pesar de estas nuevas restricciones mostradas en la región sombreada en azul oscuro en la Figura 1.

Figura 1: Gráfico de la razón de PBHs a materia oscura en función de la masa de los PBHs. Si ΩPBH / ΩC = 1 para una masa particular, luego los PBHs de esa masa constituirían toda la materia oscura. La región sombreada azul oscura queda descartada por las nuevas restricciones. Fuente: artículo original.

 

La línea negra en la Figura 1 muestra la razón de PBHs a materia oscura para un modelo particular de inflación conocido como “inflación doble”. El número de PBHs tiene su pico a 1020 g y logra evitar las restricciones indicadas por las regiones sombreadas.

Si en el futuro las restricciones observacionales se hacen más fuertes, este modelo tendrá que ajustarse si se quiere que los PBHs de masas asteroidales se mantengan como candidatos a materia oscura plausibles. En particular, si las observaciones pudieran limitar la razón de PBHs a materia oscura de manera que ésta sea mucho menor a 1 sobre todos los rangos de masas, seríamos capaces de descartar exitosamente los PBHs como constituyentes de toda la materia oscura. No obstante, si los PBHs son directamente detectados, o si se confirma que los agujeros negros que se fusionaron en la detección de LIGO/VIRGO eran en efecto primordiales, todavía sería posible confirmar que la materia oscura está formada por agujeros negros primordiales.

Acerca de Eduardo Mario Gutiérrez

Nací y me crié en la ciudad de La Plata, Argentina. Me recibí de Licenciado en Astronomía por la Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas de la Universidad Nacional de La Plata, y actualmente estoy realizando el segundo año del Doctorado en Astronomía en el Instituto Argentino de Radioastronomía. Mis intereses incluyen estudios de acreción, aceleración de partículas y procesos no térmicos que ocurren en la vecindad de los agujeros negros.

Comentarios

Un comentario en “¿Podría haber suficientes agujeros negros primordiales?

  1. Muy lindo artículo.
    Solo quiero avisarte que seguramente al editarlo te quedó una frase confusa al omitirse una coma en el párrafo bajo el título “¿Qué podemos aprender de ellos?”

    Dice: “Ellos son particularmente prácticos, pues al ser mucho más pequeños que las escalas que el Fondo Cósmico de Microondas puede restringir nos permitirían ver detalles ocultos.”

    Si agregas una coma después de restringir, quedaría más claro.

    Muchas gracias por el artículo. Es muy interesante.

    Publicado por Edward Murdoch | 21/02/2018, 11:01

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