Figura 1:La galaxia de la Vía Láctea (izquierda) y la galaxia de Andrómeda (derecha) están separadas por 2,6 millones de años luz. En comparación con las áreas donde las estrellas están agrupadas, Se cree que la materia oscura se distribuye en un volumen mucho mayor. Crédito:Kavli IPMU
Un equipo internacional de investigadores ha sometido una teoría especulada por el difunto Stephen Hawking a su prueba más rigurosa hasta la fecha, y sus resultados, basados en las observaciones realizadas con el telescopio Subaru, han descartado la posibilidad de que los agujeros negros primordiales menores a una décima de milímetro constituyan la mayor parte de la materia oscura.
Los científicos saben que el 27% de la materia del Universo está formada por materia oscura. Su fuerza gravitacional evita que las estrellas de nuestra Vía Láctea se separen. Sin embargo, intenta detectar tales partículas de materia oscura mediante experimentos subterráneos, o experimentos con aceleradores, incluido el acelerador más grande del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones, han fallado hasta ahora.
Esto ha llevado a los científicos a considerar la teoría de Hawking de 1974 sobre la existencia de agujeros negros primordiales, nacido poco después del Big Bang, y su especulación de que podrían constituir una gran fracción de la elusiva materia oscura que los científicos están tratando de descubrir hoy.
Un equipo internacional de investigadores, dirigido por el investigador principal del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo, Masahiro Takada, Estudiante de doctorado Hiroko Niikura, Profesor Naoki Yasuda, e incluyendo investigadores de Japón, India y EE. UU., han utilizado el efecto de lente gravitacional para buscar agujeros negros primordiales entre la Tierra y la galaxia de Andrómeda. Lente gravitacional, un efecto sugerido por primera vez por Albert Einstein, se manifiesta como la curvatura de los rayos de luz provenientes de un objeto distante, como una estrella, debido al efecto gravitacional de un objeto masivo intermedio, como un agujero negro primordial. En casos extremos, tal curvatura de la luz hace que la estrella de fondo parezca mucho más brillante de lo que es originalmente.
Figura 2:Mientras el telescopio Subaru en la Tierra mira la galaxia de Andrómeda, una estrella en Andrómeda se volverá significativamente más brillante si un agujero negro primordial pasa frente a la estrella. A medida que el agujero negro primordial continúa desalineándose, la estrella también se volverá más tenue (volverá a su brillo original). Crédito:Kavli IPMU
Sin embargo, Los efectos de lentes gravitacionales son eventos muy raros porque requieren una estrella en la galaxia de Andrómeda, un agujero negro primordial que actúa como lente gravitacional, y un observador en la Tierra para estar exactamente alineados entre sí. Entonces, para maximizar las posibilidades de capturar un evento, los investigadores utilizaron la Hyper Suprime-Cam en el telescopio Subaru, que puede capturar la imagen completa de la galaxia de Andrómeda en una sola toma. Teniendo en cuenta la rapidez con la que se espera que se muevan los agujeros negros primordiales en el espacio interestelar, el equipo tomó varias imágenes para poder captar el parpadeo de una estrella mientras se ilumina durante un período de unos minutos a horas debido a la lente gravitacional.
Figura 3:Datos de la estrella que mostraron características de ser magnificada por una lente gravitacional potencial, posiblemente por un agujero negro primordial. Aproximadamente 4 horas después de que comenzara la toma de datos del Telescopio Subaru, una estrella comenzó a brillar más. Menos de una hora después la estrella alcanzó el brillo máximo antes de volverse más tenue. Crédito:Niikura et al.
A partir de 190 imágenes consecutivas de la galaxia de Andrómeda tomadas durante siete horas durante una noche clara, el equipo examinó los datos en busca de posibles eventos de lente gravitacional. Si la materia oscura consta de agujeros negros primordiales de una masa determinada, en este caso masas más ligeras que la luna, los investigadores esperaban encontrar alrededor de 1000 eventos. Pero después de análisis cuidadosos, solo pudieron identificar un caso. Los resultados del equipo mostraron que los agujeros negros primordiales no pueden contribuir más del 0,1 por ciento de toda la masa de materia oscura. Por lo tanto, es poco probable que la teoría sea cierta./p>
Los investigadores ahora planean desarrollar aún más su análisis de la galaxia de Andrómeda. Una nueva teoría que investigarán es encontrar si los agujeros negros binarios descubiertos por el detector de ondas gravitacionales LIGO son de hecho agujeros negros primordiales.
Figura 4:Restricciones en la fracción de masa de los agujeros negros primordiales a la materia oscura en la Vía Láctea y la galaxia de Andrómeda como una función de la masa del agujero negro primordial. Las regiones sombreadas muestran regiones excluidas donde la existencia de tales agujeros negros primordiales no es consistente con varios datos de observación. El color rojo indica el área donde este estudio ha contribuido al estudio de los agujeros negros primordiales. El HSC / Subaru de una noche ofrece las restricciones más estrictas para los agujeros negros primordiales con masas más ligeras que la masa lunar, p.ej. en comparación con los datos de dos años de Kepler de la NASA. Crédito:Niikura et al.
Estos resultados fueron publicados el 1 de abril de 2019 en Astronomía de la naturaleza .
