¿Cuál es el origen de los agujeros negros y cómo se relaciona esa pregunta con otro misterio? la naturaleza de la materia oscura? La materia oscura comprende la mayor parte de la materia del Universo, pero su naturaleza permanece desconocida.

En los últimos años, el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) ha identificado múltiples detecciones de ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros. conmemorado con el Premio Nobel de Física 2017 a Kip Thorne, Barry Barish, y Rainer Weiss. Se celebró una confirmación definitiva de la existencia de agujeros negros con el Premio Nobel de Física 2020 otorgado a Andrea Ghez, Reinhard Genzel y Roger Penrose. La comprensión del origen de los agujeros negros se ha convertido, por tanto, en un tema central de la física.

Asombrosamente, LIGO ha observado recientemente un candidato a agujero negro de 2.6 masas solares (evento GW190814, reportado en Cartas de revistas astrofísicas 896 (2020) 2, L44). Suponiendo que se trata de un agujero negro, y no una estrella de neutrones inusualmente masiva, ¿De dónde viene?

Los agujeros negros de masa solar son particularmente intrigantes, ya que no se esperan de la astrofísica convencional de evolución estelar. Estos agujeros negros pueden surgir en el Universo temprano (agujeros negros primordiales) o ser "transmutados" de las estrellas de neutrones existentes. Algunos agujeros negros podrían haberse formado en el universo temprano mucho antes de que se formaran las estrellas y las galaxias. Estos agujeros negros primordiales podrían constituir una parte o la totalidad de la materia oscura. Si una estrella de neutrones captura un agujero negro primordial, el agujero negro consume la estrella de neutrones desde el interior, convirtiéndolo en un agujero negro de masa solar. Este proceso puede producir una población de agujeros negros de masa solar, independientemente de cuán pequeños sean los agujeros negros primordiales. Otras formas de materia oscura pueden acumularse dentro de una estrella de neutrones provocando su eventual colapso en un agujero negro de masa solar.

Un nuevo estudio publicado en Cartas de revisión física , avanza una prueba decisiva para investigar el origen de los agujeros negros de masa solar. Este trabajo fue dirigido por Volodymyr Takhistov, becario del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU) y el equipo internacional incluyó a George M. Fuller, Profesor distinguido de Física y Director del Centro de Astrofísica y Ciencias Espaciales de la Universidad de California, San Diego, así como Alexander Kusenko, Profesor de Física y Astronomía en la Universidad de California, Los Ángeles y un científico sénior visitante de Kavli IPMU.

Como se analiza en el estudio (ver Fig.1), Los agujeros negros de masa solar "transmutados" que quedan de las estrellas de neutrones que están siendo devoradas por la materia oscura (ya sean pequeños agujeros negros primordiales o acumulación de partículas de materia oscura) deberían seguir la distribución de masa de las estrellas de neutrones anfitrionas originales. Dado que se espera que la distribución de masa de la estrella de neutrones alcance un pico de alrededor de 1,5 masas solares, Es poco probable que los agujeros negros de masa solar más pesados ​​se hayan originado a partir de la interacción de la materia oscura con las estrellas de neutrones. Esto sugiere que eventos como el candidato detectado por LIGO, si de hecho constituyen agujeros negros, podría ser de origen primordial desde el Universo temprano y por lo tanto afectar drásticamente nuestra comprensión de la astronomía. Las observaciones futuras utilizarán esta prueba para investigar e identificar el origen de los agujeros negros.

Anteriormente (ver Fuller, Kusenko, Takhistov Cartas de revisión física 119 (2017) 6, 061101), El mismo equipo internacional de investigadores también demostró que la interrupción de las estrellas de neutrones por pequeños agujeros negros primordiales puede conducir a una gran variedad de firmas de observación y puede ayudarnos a comprender acertijos astronómicos de larga data como el origen de elementos pesados ​​(por ejemplo, oro y uranio). y el exceso de rayos gamma de 511 keV observado desde el centro de nuestra Galaxia.