La materia oscura es una sustancia misteriosa que compone la mayor parte del universo material, ahora se cree que es una forma de partícula exótica masiva. Una visión alternativa intrigante es que la materia oscura está hecha de agujeros negros formados durante el primer segundo de la existencia de nuestro universo,conocidos como agujeros negros primordiales. Ahora, un científico del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, sugiere que esta interpretación se alinea con nuestro conocimiento de los rayos cósmicos y los rayos X de fondo y puede explicar las masas inesperadamente altas de agujeros negros fusionados detectados por última vezaño.
"Este estudio es un esfuerzo para reunir un amplio conjunto de ideas y observaciones para probar qué tan bien encajan, y el ajuste es sorprendentemente bueno", dijo Alexander Kashlinsky, astrofísico de la NASA Goddard. "Si esto es correcto, entoncestodas las galaxias, incluida la nuestra, están incrustadas dentro de una vasta esfera de agujeros negros, cada una de aproximadamente 30 veces la masa del sol ".
En 2005, Kashlinsky dirigió a un equipo de astrónomos que usaban el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA para explorar el resplandor de fondo de la luz infrarroja en una parte del cielo. Los investigadores informaron un parche excesivo en el resplandor y concluyeron que probablemente fue causado por la luz agregada delas primeras fuentes en iluminar el universo hace más de 13 mil millones de años. Los estudios de seguimiento confirmaron que este fondo infrarrojo cósmico CIB mostró una estructura inesperada similar en otras partes del cielo.
En 2013, otro estudio comparó cómo el fondo de rayos X cósmico CXB detectado por el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA en comparación con el CIB en la misma área del cielo. Las primeras estrellas emitieron principalmente luz óptica y ultravioleta, que hoyse expande hacia el infrarrojo por la expansión del espacio, por lo que no deberían contribuir significativamente al CXB.
Sin embargo, el brillo irregular de los rayos X de baja energía en el CXB coincidía bastante bien con el parche del CIB. El único objeto que conocemos que puede ser lo suficientemente luminoso en este amplio rango de energía es un agujero negro. El equipo de investigaciónllegó a la conclusión de que los agujeros negros primordiales deben haber sido abundantes entre las primeras estrellas, constituyendo al menos aproximadamente una de cada cinco fuentes que contribuyen al CIB.
La naturaleza de la materia oscura sigue siendo uno de los problemas no resueltos más importantes en astrofísica. Actualmente, los científicos prefieren los modelos teóricos que explican la materia oscura como una partícula masiva exótica, pero hasta ahora las búsquedas no han podido encontrar evidencia de que estas partículas hipotéticas realmente existan. NASAactualmente está investigando este problema como parte de sus misiones del Espectrómetro magnético alfa y el Telescopio espacial de rayos gamma Fermi.
"Estos estudios están proporcionando resultados cada vez más sensibles, reduciendo lentamente la caja de parámetros donde las partículas de materia oscura pueden esconderse", dijo Kashlinsky. "El hecho de no encontrarlos ha llevado a un renovado interés en estudiar qué tan bien los agujeros negros primordiales - agujeros negrosformado en la primera fracción de segundo del universo - podría funcionar como materia oscura "
Los físicos han esbozado varias formas en que el universo caliente y en rápida expansión podría producir agujeros negros primordiales en las primeras milésimas de segundo después del Big Bang. Cuanto más viejo es el universo cuando estos mecanismos se afianzan, más grandes pueden ser los agujeros negrosY debido a que la ventana para crearlos dura solo una pequeña fracción del primer segundo, los científicos esperan que los agujeros negros primordiales exhiban un rango estrecho de masas.
El 14 de septiembre, las ondas gravitacionales producidas por un par de agujeros negros fusionados a 1.3 billones de años luz de distancia fueron capturadas por las instalaciones del Observatorio de Interferencia del Láser Interferómetro LIGO en Hanford, Washington, y Livingston, Louisiana. Este evento marcóla primera detección de ondas gravitacionales, así como la primera detección directa de agujeros negros. La señal proporcionó a los científicos de LIGO información sobre las masas de los agujeros negros individuales, que eran 29 y 36 veces la masa del sol, más o menos aproximadamente cuatromasas solares. Estos valores fueron inesperadamente grandes y sorprendentemente similares.
"Dependiendo del mecanismo en funcionamiento, los agujeros negros primordiales podrían tener propiedades muy similares a lo que LIGO detectó", explicó Kashlinsky. "Si asumimos que este es el caso, LIGO atrapó una fusión de agujeros negros formados en el universo primitivo,podemos ver las consecuencias que esto tiene en nuestra comprensión de cómo evolucionó el cosmos ".
En su nuevo artículo, publicado el 24 de mayo en Las letras del diario astrofísico , Kashlinsky analiza lo que podría haber sucedido si la materia oscura consistiera en una población de agujeros negros similares a los detectados por LIGO. Los agujeros negros distorsionan la distribución de masa en el universo temprano, agregando una pequeña fluctuación que tiene consecuencias de cientos de millones deaños después, cuando las primeras estrellas comienzan a formarse.
Durante gran parte de los primeros 500 millones de años del universo, la materia normal permaneció demasiado caliente como para unirse a las primeras estrellas. La materia oscura no se vio afectada por la alta temperatura porque, independientemente de su naturaleza, interactúa principalmente a través de la gravedad. Agregándose por atracción mutua, oscuraLa materia primero colapsó en grupos llamados minihaloes, que proporcionaron una semilla gravitacional que permitió que se acumule la materia normal. El gas caliente colapsó hacia los minihaloes, lo que resultó en bolsas de gas lo suficientemente densas como para colapsar por sí mismas en las primeras estrellas. Kashlinsky muestra que si los agujeros negrosdesempeña el papel de la materia oscura, este proceso se produce de forma más rápida y fácil, produce el abultamiento del CIB detectado en los datos de Spitzer, incluso si solo una pequeña fracción de minihaloes logra producir estrellas.
A medida que el gas cósmico caía en los minihaloes, sus agujeros negros constituyentes también capturarían naturalmente parte de él. La materia que cae hacia un agujero negro se calienta y finalmente produce rayos X. Juntos, la luz infrarroja de las primeras estrellas y los rayos X deel gas que cae en los agujeros negros de la materia oscura puede explicar el acuerdo observado entre la irregularidad del CIB y el CXB.
Ocasionalmente, algunos agujeros negros primordiales pasarán lo suficientemente cerca como para ser capturados gravitacionalmente en sistemas binarios. Los agujeros negros en cada uno de estos binarios emitirán, durante eones, radiación gravitacional, perderán energía orbital y girarán en espiral hacia adentro, finalmente se fusionarán en un negro más grandehoyo como el evento observado por LIGO.
"Las futuras carreras de observación de LIGO nos contarán mucho más sobre la población de agujeros negros del universo, y no pasará mucho tiempo antes de que sepamos si el escenario que describo es compatible o descartado", dijo Kashlinsky.
Kashlinsky lidera un equipo científico centrado en Goddard que participa en la misión Euclid de la Agencia Espacial Europea, que actualmente está programada para lanzarse en 2020. El proyecto, llamado LIBRAE, permitirá al observatorio sondear poblaciones de origen en el CIB con alta precisión ydeterminar qué porción fue producida por los agujeros negros.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por NASA / Centro de vuelo espacial Goddard . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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