El agujero negro primordial ha sido uno de los conceptos más intrigantes en astronomía durante décadas. Ahora, investigadores de la Universidad de Miami creen que una reciente detección de ondas gravitacionales puede acercar a los científicos a confirmar que estos objetos antiguos son reales, un avance que podría ayudar a resolver el perdurable misterio de la materia oscura.
Se cree que los agujeros negros primordiales se formaron en la primera fracción de segundo después del Big Bang, mucho antes de que existieran las primeras estrellas o galaxias. A diferencia de los agujeros negros creados por el colapso de estrellas, estos objetos hipotéticos pueden variar en tamaño desde cuerpos tan pequeños como un asteroide hasta cuerpos mucho más grandes.
Aunque todavía no se ha confirmado ningún agujero negro primordial, los científicos creen que pueden responder varias preguntas clave sobre el universo. Uno de los más importantes es la naturaleza de la materia oscura, la sustancia invisible que constituye alrededor del 85 por ciento de toda la materia y proporciona la atracción gravitacional que ayuda a mantener unidas a las galaxias.
“Creemos que nuestro estudio ayudará a confirmar que realmente existen”, dijo Nico Cappelluti, profesor asociado del departamento de física de la Universidad de Miami, refiriéndose a la investigación que realizó con su doctorado. Estudiante Alberto Magaragia.
Una señal LIGO inusual
Su trabajo se basa en un posible descubrimiento informado por el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO), que detectó una señal de onda gravitacional inusual a fines del año pasado. Las ondas gravitacionales son ondas en el espacio-tiempo producidas por algún evento violento en el universo, incluidas las colisiones entre agujeros negros.
Los agujeros negros más conocidos se forman después de que una estrella masiva explota como supernova. Sus masas suelen oscilar entre unas pocas veces la masa del Sol y miles de millones de masas solares.
“Los agujeros negros más comunes se forman a partir de una supernova, la muerte de una estrella masiva. Por tanto, su masa puede variar desde unas pocas veces la masa del Sol hasta miles de millones de masas solares”, explicó Cappelluti.
Pero en noviembre, LIGO emitió una alerta automática por una fusión en la que al menos un objeto parecía tener menos de una masa solar. Un agujero negro tan pequeño sería difícil de explicar mediante la evolución estelar convencional y, en cambio, podría indicar un agujero negro primordial.
No todo el mundo es creyente. Algunos astrónomos han sugerido que la señal podría ser ruido en los detectores altamente sensibles de LIGO en lugar de evidencia de un nuevo descubrimiento extraordinario.
¿Podría esto explicar la materia oscura?
Cappelluti y Magaraggia sostienen que el objeto detectado se explica mejor como un agujero negro primordial que se formó en las densas condiciones del universo primitivo mucho antes de que existieran las estrellas.
Para probar esta idea, los investigadores estimaron cuántos agujeros negros primordiales podría haber en todo el universo y con qué frecuencia LIGO los detectaría.
“Intentamos estimar cuántos agujeros negros primordiales podría haber en el universo y cuántos de ellos LIGO podría detectar”, dijo Magaraggia. “Y nuestros resultados son alentadores. Predecimos que los agujeros negros subsolares similares a LIGO deberían ser realmente raros, en concordancia con los pocos eventos de este tipo que se han visto hasta ahora”.
Sus hallazgos, publicados Diario astrofísicosugieren que la misteriosa señal LIGO no tiene una explicación astrofísica convencional y es más consistente con un agujero negro primordial.
El estudio “sugiere que la explicación más plausible para la señal LIGO, que no tiene explicación astronómica convencional, es la detección de un agujero negro primordial”, afirmó Cappelluti. “Y nuestra investigación indica que estos agujeros negros primordiales pueden representar una fracción significativa de la materia oscura, si no toda”.
Aún así, ambos investigadores enfatizan que una identificación no es suficiente para resolver la cuestión.
Por ahora, los científicos tendrán que esperar para ver si LIGO y sus socios internacionales registran eventos adicionales que coincidan con el mismo patrón.
“LIGO ha proporcionado pruebas muy sólidas de la existencia de tales agujeros negros. Pero necesitamos detectar otra señal similar, o incluso varias más, para confirmar la prueba irrefutable”, afirmó Cappelluti. “Pero lo que está claro es que no se puede descartar que sean reales”.
Una teoría que lleva décadas gestándose
El concepto de agujeros negros primordiales se remonta a la era de la Guerra Fría, cuando los científicos soviéticos Yakov Zeldovich e Igor Novikov propusieron por primera vez su existencia. A principios de la década de 1970, Stephen Hawking amplió esta idea, argumentando que estos objetos podrían ser abundantes en todo el universo, emitir radiación y posiblemente explicar la materia oscura.
Posteriormente, LIGO brindó la primera oportunidad de buscar evidencia que respalde esas teorías. El 14 de septiembre de 2015, el observatorio hizo historia al detectar ondas gravitacionales por primera vez, confirmando una predicción clave de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein y abriendo una forma completamente nueva de estudiar el universo.
La onda gravitacional es el futuro de la astronomía
LIGO consta de dos observatorios ubicados en Hanford, Washington y Livingston, Luisiana. Junto con el detector Virgo en Italia y el observatorio subterráneo KAGRA en Japón, forman la colaboración internacional LVK, que busca agujeros negros, regiones del espacio donde la gravedad es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar.
Las actualizaciones planificadas harán que LIGO sea aún más sensible, aumentando las posibilidades de encontrar candidatos a agujeros negros primordiales adicionales. Sin embargo, los dos detectores en forma de L del observatorio, cada uno con un brazo de vacío de 4 kilómetros de largo, fueron diseñados para detectar ondas gravitacionales de alta frecuencia producidas por colisiones cósmicas relativamente recientes, no ondas generadas directamente durante el Big Bang.
Los futuros observatorios se ampliarán y llegarán más lejos en el tiempo. Se espera que la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) de la Agencia Espacial Europea, cuyo lanzamiento está previsto para 2035, detecte las primeras ondas gravitacionales en el universo después del Big Bang.
Otra instalación prevista, Cosmic Explorer, se encuentra actualmente en fase de diseño en Estados Unidos. Los investigadores esperan que sea unas 10 veces más sensible que LIGO, lo que le permitirá detectar fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones cuando se formaron las primeras estrellas.
