Un nuevo estudio publicado en Cartas de revisión física describe cómo los científicos podrían usar experimentos de ondas gravitacionales para probar la existencia de agujeros negros primordiales, Los pozos de gravedad formados momentos después del Big Bang que algunos científicos han postulado podrían ser una explicación para la materia oscura.

"Sabemos muy bien que los agujeros negros pueden formarse por el colapso de grandes estrellas, o como hemos visto recientemente, la fusión de dos estrellas de neutrones, "dijo Savvas Koushiappas, profesor asociado de física en la Universidad de Brown y coautor del estudio con Avi Loeb de la Universidad de Harvard. "Pero se ha planteado la hipótesis de que podría haber agujeros negros que se formaron en el universo temprano antes de que existieran las estrellas. Eso es lo que estamos abordando con este trabajo".

La idea es que poco después del Big Bang, Las fluctuaciones de la mecánica cuántica llevaron a la distribución de densidad de la materia que observamos hoy en el universo en expansión. Se ha sugerido que algunas de esas fluctuaciones de densidad podrían haber sido lo suficientemente grandes como para dar lugar a agujeros negros salpicados por todo el universo. Estos llamados agujeros negros primordiales fueron propuestos por primera vez a principios de la década de 1970 por Stephen Hawking y sus colaboradores, pero nunca se han detectado; todavía no está claro si existen.

La capacidad de detectar ondas gravitacionales, como lo demostró recientemente el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO), tiene el potencial de arrojar nueva luz sobre el tema. Tales experimentos detectan ondas en el tejido del espacio-tiempo asociadas con eventos astronómicos gigantes como la colisión de dos agujeros negros. LIGO ya ha detectado varias fusiones de agujeros negros, y los experimentos futuros podrán detectar eventos que ocurrieron mucho más atrás en el tiempo.

"La idea es muy simple, ", Dijo Koushiappas." Con futuros experimentos de ondas gravitacionales, podremos mirar atrás a una época anterior a la formación de las primeras estrellas. Entonces, si vemos eventos de fusión de agujeros negros antes de que existieran las estrellas, entonces sabremos que esos agujeros negros no son de origen estelar ".

Los cosmólogos miden qué tan atrás en el tiempo ocurrió un evento usando el corrimiento al rojo, el estiramiento de la longitud de onda de la luz asociada con la expansión del universo. Los eventos más atrás en el tiempo están asociados con corrimientos al rojo más grandes. Para este estudio, Koushiappas y Loeb calcularon el corrimiento al rojo en el que las fusiones de agujeros negros ya no deberían detectarse asumiendo solo un origen estelar.

Muestran que con un corrimiento al rojo de 40, lo que equivale a unos 65 millones de años después del Big Bang, los eventos de fusión deben detectarse a una tasa de no más de uno por año, asumiendo origen estelar. Con corrimientos al rojo superiores a 40, los eventos deberían desaparecer por completo.

"Ese es realmente el punto muerto, "Dijo Koushiappas." En realidad, esperamos que los eventos de fusión se detengan mucho antes de ese momento, pero un corrimiento al rojo de aproximadamente 40 es el límite o punto de corte más difícil ".

Un corrimiento al rojo de 40 debería estar al alcance de varios experimentos de ondas gravitacionales propuestos. Y si detectan eventos de fusión más allá de eso, significa una de dos cosas, Koushiappas y Loeb dicen:O existen agujeros negros primordiales, o el universo primitivo evolucionó de una manera muy diferente del modelo cosmológico estándar. Cualquiera de los dos serían descubrimientos muy importantes, dicen los investigadores.

Por ejemplo, Los agujeros negros primordiales caen en una categoría de entidades conocidas como MACHO, u Objetos de Halo Compactos Masivos. Algunos científicos han propuesto que la materia oscura, la materia invisible que se cree que comprende la mayor parte de la masa del universo, puede estar compuesta de MACHO en forma de agujeros negros primordiales. Una detección de agujeros negros primordiales reforzaría esa idea, mientras que una no detección arrojaría dudas sobre él.

La única otra explicación posible para las fusiones de agujeros negros con corrimientos al rojo superiores a 40 es que el universo es "no gaussiano". En el modelo cosmológico estándar, Las fluctuaciones de la materia en el universo temprano se describen mediante una distribución de probabilidad gaussiana. La detección de una fusión podría significar que las fluctuaciones de la materia se desvían de una distribución gaussiana.

"La evidencia de la no gaussianidad requeriría nueva física para explicar el origen de estas fluctuaciones, que sería un gran problema, "Dijo Loeb.

La velocidad a la que se realizan las detecciones más allá de un corrimiento al rojo de 40, si es que se realizan tales detecciones, debería indicar si son un signo de agujeros negros primordiales o evidencia de no gaussianismo. Pero una no detección presentaría un fuerte desafío a esas ideas.