Nueva restricción PBH basada en datos COMPTEL (azul oscuro), Proyecciones del alcance del descubrimiento de futuros telescopios de rayos gamma MeV (otras curvas de colores) y limitaciones existentes (regiones grises sombreadas). Crédito:Coogan et al.
Si bien muchos físicos han predicho la existencia de materia oscura, un tipo de materia que no absorbe, reflejar o emitir luz, hasta ahora nadie ha podido observarlo experimentalmente ni determinar su naturaleza fundamental. Agujeros negros primordiales ligeros (PBH), agujeros negros formados en el universo temprano, se encuentran entre los candidatos a materia oscura más prometedores. Sin embargo, la existencia de estos agujeros negros aún no ha sido confirmada.
Investigadores de la Universidad de Amsterdam y la Universidad de California-Santa Cruz han llevado a cabo recientemente un estudio destinado a mejorar las limitaciones existentes en el espacio de parámetros permitido de los PBH como materia oscura. En su papel publicado en Cartas de revisión física , también proponen un posible método que podría usarse para detectar directamente la radiación de Hawking en regiones densas de materia oscura y permitir potencialmente el descubrimiento de materia oscura PBH.
La radiación de Hawking es la radiación térmica que Stephen Hawking predijo que emitirían espontáneamente los agujeros negros. Se hipotetiza que esta radiación surge de la conversión de fluctuaciones cuánticas de vacío en pares de partículas, uno escapando del agujero negro y el otro atrapado dentro de su horizonte de eventos (es decir, el límite alrededor de los agujeros negros de los que no puede escapar la luz o la radiación).
"Los PBH que comprenden más de un pequeño porcentaje de la materia oscura deberían tener una masa entre aproximadamente 10 dieciséis gramos y 10 35 gramos, "Adam Coogan, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "En la mayor parte de ese rango, varias observaciones los excluyen de constituir el 100% de la materia oscura. Sin embargo, hay una brecha notable en las restricciones:PBH con masas alrededor de la de un asteroide (~ 10 17 gramos a 10 22 gramos) todavía podrían constituir toda la materia oscura ".
La identificación de métodos para restringir el espacio de parámetros permitido de los PBH o detectar la radiación de Hawking que emana de ellos podría ser un paso importante hacia la observación o el descubrimiento de la materia oscura de los PBH. Coogan, en colaboración con sus colegas Logan Morrison y Stefano Profumo, por lo tanto, se propuso examinar el potencial de los telescopios de rayos gamma MeV como herramientas para detectar la radiación de PBH Hawking.
"La idea principal detrás de nuestro trabajo era pensar en una forma particular de buscar PBH con masa de asteroides, "Coogan explicó." Se espera que los PBH de luz emitan radiación de Hawking que consiste en una mezcla de fotones y otras partículas de luz, como electrones y piones. Los telescopios pueden buscar esta radiación observando nuestra galaxia u otras galaxias. El objetivo de nuestro artículo era comprender qué tan bien los próximos telescopios podrían observar esta radiación y, en consecuencia, cuánto del espacio de parámetros PBH de masa de asteroides podrían explorar ".
Al intentar estimar las masas de PBH que los telescopios emergentes podrían ayudar a limitar, Coogan y sus colegas descubrieron que los estudios anteriores aún no habían analizado los datos recopilados por el telescopio COMPTEL, un telescopio de rayos gamma lanzado por la NASA a bordo del Observatorio de Rayos Gamma de Compton (CGRO). Estos datos, sin embargo, podría ayudar a limitar la abundancia de PBH ligeramente por debajo de la brecha de masa de asteroides (es decir, por debajo de 10 17 gramos). Si bien ya existen limitaciones en este rango de masas gracias a las observaciones de la radiación de Hawking recopiladas por la Voyager 1 y el satélite del Laboratorio INTErnacional de Astrofísica de Rayos Gamma (INTEGRAL), Se encontró que las nuevas limitaciones introducidas por los investigadores eran las más fuertes hasta la fecha.
"La entrada clave para calcular las limitaciones y hacer proyecciones es calcular el espectro de la radiación de Hawking producida por un solo PBH, "Dijo Coogan." Hemos refinado este cálculo en comparación con las herramientas existentes en la literatura al mejorar la forma en que la radiación producida por electrones y piones se contabiliza en el espectro. El resto de los cálculos son bastante típicos para las búsquedas de materia oscura ".
Suponiendo que los PBH de una masa específica constituyen una fracción dada de la materia oscura total en el espacio, Los cálculos realizados por Coogan y sus colegas permitirían a los investigadores calcular su contribución al espectro de fotones emitidos por un objeto astrofísico que se cree que contiene una cantidad sustancial de materia oscura. como el centro de la Vía Láctea. Si el espectro estimado por estos cálculos fue mucho más brillante que el espectro observado, por ejemplo, se podría descartar la posibilidad de que los PBH de esa masa específica constituyan una fracción específica de materia oscura.
"Hacer proyecciones para el rendimiento de futuros telescopios sigue líneas similares, aunque no hay un espectro observado para comparar, Coogan explicó. En este caso, el espectro de fotones emitidos por PBH se compara con un modelo para el fondo astrofísico esperado de fotones ".
El reciente estudio de Coogan, Morrison y Profumo establecieron las restricciones más fuertes sobre los PBH de baja masa hasta la fecha, utilizando datos recopilados como parte de un experimento que se completó hace 20 años. Además, Los investigadores demostraron que los próximos telescopios capaces de observar rayos gamma de energía MeV podrían ayudar a sondear los PBH de masa de asteroides, que es una parte muy difícil de sondear en el espacio de parámetros PBH.
"La comunidad astronómica ha estado considerando varias propuestas para tales telescopios en los últimos años y creo que nuestro artículo proporciona otra motivación sólida para construirlos, ", Agregó Coogan." Aparte de los PBH, Hemos estado estudiando cómo los próximos telescopios de rayos gamma MeV podrían sondear diferentes modelos de partículas de materia oscura. Recientemente terminamos otro artículo en el que calculamos los espectros de rayos gamma para algunos modelos en particular y estamos trabajando con otros colaboradores para refinar estos cálculos ".
Coogan, Morrison y Profumo también han estado colaborando recientemente con Alexander Moiseev, un científico investigador de la NASA, quien está desarrollando un telescopio llamado Galactic Explorer con un Telescopio Compton de Máscara de Apertura Codificada (GECCO). Junto con Moiseev, han estado tratando de trazar formas en las que GECCO podría ayudar en la búsqueda de materia oscura.
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