Avances en la búsqueda de agujeros negros primordiales del multiverso

En el universo primitivo, antes de que nacieran las estrellas y las galaxias, es posible que se formaran agujeros negros de un tipo especial.

Estos agujeros negros primordiales podrían constituir toda la materia oscura o parte de ella.

Nadie conoce la identidad de la materia oscura.

Se trata de una rara forma de materia que no emite ni refleja radiación electromagnética y que por tanto no puede ser vista, al menos directamente, por telescopios y radiotelescopios.

Su presencia se deduce por los efectos de su campo gravitatorio sobre la materia normal cercana a ella.

Esta misteriosa materia extra escondida está distribuida de un modo que tampoco se corresponde con la simple presencia de agujeros negros convencionales.

Los agujeros negros primordiales podrían ser responsables de algunas de las señales de ondas gravitacionales observadas y ser la semilla de los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el centro de galaxias como la nuestra.

Un equipo internacional de físicos de partículas, cosmólogos y astrónomos, entre quienes figuran Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada y Volodymyr Takhistov, todos del Instituto Kavli para la Física y las Matemáticas del Universo (Kavli IPMU) en Japón, ha logrado recientemente un avance en el tema de los agujeros negros primordiales, tras buscar pistas en lo poco que se sabe sobre el universo primitivo.

El universo primitivo era tan denso que cualquier fluctuación positiva de la densidad superior al 50% debió crear un agujero negro.

Sin embargo, se sabe que las perturbaciones cosmológicas que sembraron las semillas de lo que luego serían galaxias eran mucho más pequeñas.

No obstante, una serie de procesos en el universo primitivo pudieron crear las condiciones adecuadas para que se formaran los agujeros negros del tipo mencionado.

Una posibilidad interesante es que los agujeros negros primordiales se hubieran formado a partir de universos embrionarios creados durante la inflación cósmica, un periodo de rápida expansión que se cree que es responsable de la creación de las estructuras que observamos hoy, como las galaxias y los cúmulos de galaxias.

Durante la inflación cósmica, los universos embrionarios pueden separarse de nuestro universo como ramificaciones.

Un pequeño universo embrionario (o “hijo”) ramificado del nuestro acabaría derrumbándose sobre sí mismo, pero la gran cantidad de energía liberada en tan pequeño volumen hace que se forme un agujero negro.

A un universo embrionario más grande le espera un destino aún más peculiar.

Si supera cierto tamaño crítico, la teoría de la gravedad de Einstein permite que el universo embrionario exista en un estado que para un observador interno parece distinto de cómo lo ve un observador externo.

Un observador interno lo ve como un universo en expansión, mientras que un observador externo (como nosotros) lo ve como un agujero negro.

En cualquiera de los dos casos, el universo embrionario grande y el embrionario pequeño son vistos por nosotros como agujeros negros primordiales, que ocultan sus características tras sus horizontes de sucesos.

El horizonte de sucesos es un límite por debajo del cual todo, incluso la luz, queda atrapado y no puede escapar del agujero negro.

Kusenko y sus colegas han descrito un novedoso escenario para la formación de agujeros negros primordiales y han mostrado que es factible detectar agujeros negros del escenario del “multiverso” (“multiuniverso”) utilizando la cámara HSC (Hyper Suprime-Cam) del Telescopio Subaru de 8,2 metros, una gigantesca cámara digital (en cuya gestión el Instituto Kavli para la Física y las Matemáticas del Universo ha desempeñado un papel crucial).

Dicho telescopio está emplazado cerca de la cumbre de 4.200 metros del monte Mauna Kea, en Hawái.

Esto constituye una emocionante extensión de la búsqueda, mediante la HSC, de agujeros negros primordiales, realizada por el equipo de Masahiro Takada, del Kavli IPMU.

¿Por qué resulta indispensable la HSC en esta investigación?

La HSC tiene una capacidad única para obtener imágenes de toda la galaxia de Andrómeda cada pocos minutos.

Si un agujero negro atraviesa la línea de visión entre una de las estrellas y la Tierra, la gravedad del agujero negro curva los rayos de luz y hace que la estrella aparezca más brillante que antes durante un breve periodo de tiempo.

La duración del brillo de la estrella indica a los astrónomos la masa del agujero negro.

Con las observaciones de la HSC, se pueden observar simultáneamente cien millones de estrellas.

Por así decirlo, es como lanzar al mar una gran red de pesca; siempre habrá algún pez que quede atrapado en ella.

En este caso, si existen los agujeros negros primordiales, es muy probable que se acabe detectando a alguno.

De hecho, las primeras observaciones de la HSC ya han captado un evento muy intrigante que concuerda con el paso de un agujero negro primordial en el escenario del “multiverso”.

El agujero tiene una masa comparable a la de la Luna.

Ninguno de los procesos conocidos de formación de agujeros negros que operan actualmente en el universo puede generar un agujero con tan poca masa.

La única explicación para la existencia de un agujero negro así parece ser por tanto la de que se formó en los primeros instantes de existencia del universo.

El nuevo estudio, titulado “Exploring Primordial Black Holes from the Multiverse with Optical Telescopes”, se ha publicado en la revista académica Physical Review Letters.

Fuente: Noticias de la Ciencia