Los astrónomos han descubierto agujeros negros que van desde unas pocas veces la masa del Sol hasta decenas de miles de millones. Ahora, un grupo de científicos ha predicho que el telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA podría encontrar una clase de agujeros negros de "peso pluma" que hasta ahora ha eludido la detección.
Hoy en día, los agujeros negros se forman cuando una estrella masiva colapsa o cuando se fusionan objetos pesados. Sin embargo, los científicos sospechan que los agujeros negros "primordiales" más pequeños, incluidos algunos con masas similares a la de la Tierra, podrían haberse formado en los primeros momentos caóticos del universo primitivo.
"Detectar una población de agujeros negros primordiales con masa terrestre sería un paso increíble tanto para la astronomía como para la física de partículas porque estos objetos no pueden formarse mediante ningún proceso físico conocido", dijo William DeRocco, investigador postdoctoral de la Universidad de California en Santa Cruz quien dirigió un estudio sobre cómo Roman podía revelarlos.
Se ha publicado un artículo que describe los resultados en la revista Physical Review D. . "Si los encontramos, revolucionará el campo de la física teórica."
Los agujeros negros más pequeños que se forman hoy en día nacen cuando una estrella masiva se queda sin combustible. Su presión hacia afuera disminuye a medida que la fusión nuclear se extingue, por lo que la atracción gravitacional hacia adentro gana el tira y afloja. La estrella se contrae y puede volverse tan densa que se convierta en un agujero negro.
Pero se requiere una masa mínima:al menos ocho veces la de nuestro sol. Las estrellas más ligeras se convertirán en enanas blancas o en estrellas de neutrones.
Sin embargo, las condiciones en el universo primitivo pueden haber permitido que se formaran agujeros negros mucho más ligeros. Si se pesara la masa de la Tierra, se tendría un horizonte de sucesos (el punto sin retorno para los objetos que caen) aproximadamente tan ancho como una moneda de diez centavos de Estados Unidos.
Justo cuando el universo estaba naciendo, los científicos creen que experimentó una fase breve pero intensa conocida como inflación cuando el espacio se expandió más rápido que la velocidad de la luz. En estas condiciones especiales, áreas que eran más densas que sus alrededores pueden haber colapsado para formar agujeros negros primordiales de baja masa.
Si bien la teoría predice que los más pequeños deberían evaporarse antes de que el universo alcance su edad actual, aquellos con masas similares a la de la Tierra podrían haber sobrevivido.
Descubrir estos pequeños objetos tendría un enorme impacto en la física y la astronomía.
"Afectaría todo, desde la formación de galaxias hasta el contenido de materia oscura del universo y la historia cósmica", dijo Kailash Sahu, astrónomo del Instituto Científico del Telescopio Espacial en Baltimore, que no participó en el estudio. "Confirmar sus identidades será un trabajo duro y habrá que convencer mucho a los astrónomos, pero valdría la pena".
Las observaciones ya han revelado pistas de que tales objetos pueden estar al acecho en nuestra galaxia. Los agujeros negros primordiales serían invisibles, pero las arrugas en el espacio-tiempo han ayudado a identificar a algunos posibles sospechosos.
La microlente es un efecto de observación que se produce porque la presencia de masa deforma el tejido del espacio-tiempo, como la huella que deja una bola de bolos cuando se coloca en un trampolín. Cada vez que un objeto intermedio parece desplazarse cerca de una estrella de fondo desde nuestro punto de vista, la luz de la estrella debe atravesar el espacio-tiempo deformado alrededor del objeto. Si la alineación es especialmente cercana, el objeto puede actuar como una lente natural, enfocando y amplificando la luz de la estrella de fondo.
Grupos separados de astrónomos que utilizaron datos de MOA (Observaciones de microlentes en astrofísica), una colaboración que realiza observaciones de microlentes utilizando el Observatorio de la Universidad Mount John en Nueva Zelanda, y OGLE (el Experimento de lentes gravitacionales ópticas) han encontrado una población inesperadamente grande de individuos aislados. Objetos con masa terrestre.
Las teorías de formación y evolución de planetas predicen ciertas masas y abundancias de planetas rebeldes:mundos que deambulan por la galaxia sin ataduras a una estrella. Las observaciones de MOA y OGLE sugieren que hay más objetos con masa terrestre a la deriva a través de la galaxia de lo que predicen los modelos.
"No hay manera de distinguir caso por caso entre agujeros negros con masa terrestre y planetas rebeldes", dijo DeRocco. Pero los científicos esperan que Roman encuentre 10 veces más objetos en este rango de masa que los telescopios terrestres. "Roman será extremadamente poderoso al diferenciar estadísticamente entre los dos."
DeRocco lideró un esfuerzo para determinar cuántos planetas rebeldes debería haber en ese rango de masa y cuántos agujeros negros primordiales pudo discernir Roman entre ellos.
Encontrar agujeros negros primordiales revelaría nueva información sobre el universo primitivo y sugeriría fuertemente que efectivamente ocurrió un período temprano de inflación. También podría explicar un pequeño porcentaje de la misteriosa materia oscura que, según los científicos, constituye la mayor parte de la masa de nuestro universo, pero que hasta ahora no han podido identificar.
"Este es un ejemplo emocionante de algo que los científicos adicionales podrían hacer con los datos que Roman ya obtendrá mientras busca planetas", dijo Sahu. "Y los resultados son interesantes, ya sea que los científicos encuentren o no evidencia de que existen agujeros negros con la masa de la Tierra. En cualquier caso, fortalecería nuestra comprensión del universo".
Más información: William DeRocco et al, Revelando agujeros negros primordiales de masa terrestre con el telescopio espacial romano Nancy Grace, Physical Review D (2024). DOI:10.1103/PhysRevD.109.023013. En arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2311.00751
Información de la revista: Revisión física D , arXiv
Proporcionado por la NASA
