Un nuevo estudio publicado en Cartas de revisión física describe cómo los científicos podrían usar experimentos de ondas gravitacionales para probar la existencia de agujeros negros primordiales, los pozos de gravedad formados momentos después del Big Bang que algunos científicos han postulado podrían ser una explicación para la materia oscura.
"Sabemos muy bien que los agujeros negros pueden formarse por el colapso de grandes estrellas, o como hemos visto recientemente, la fusión de dos estrellas de neutrones", dijo Savvas Koushiappas, profesor asociado de física en la Universidad de Brown y coautor deel estudio con Avi Loeb de la Universidad de Harvard. "Pero se ha planteado la hipótesis de que podría haber agujeros negros que se formaron en el universo primitivo antes de que existieran las estrellas. Eso es lo que estamos abordando con este trabajo".
La idea es que poco después del Big Bang, las fluctuaciones de la mecánica cuántica condujeron a la distribución de densidad de la materia que observamos hoy en el universo en expansión. Se ha sugerido que algunas de esas fluctuaciones de densidad podrían haber sido lo suficientemente grandes como para producir agujeros negrossalpicado en todo el universo. Estos llamados agujeros negros primordiales fueron propuestos por primera vez a principios de la década de 1970 por Stephen Hawking y sus colaboradores, pero nunca se han detectado, todavía no está claro si existen en absoluto.
La capacidad de detectar ondas gravitacionales, como lo demostró recientemente el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser LIGO, tiene el potencial de arrojar nueva luz sobre el tema. Tales experimentos detectan ondas en la estructura del espacio-tiempo asociadas con eventos astronómicos gigantes comola colisión de dos agujeros negros. LIGO ya ha detectado varias fusiones de agujeros negros, y los futuros experimentos podrán detectar eventos que ocurrieron mucho más atrás en el tiempo.
"La idea es muy simple", dijo Koushiappas. "Con futuros experimentos de ondas gravitacionales, podremos mirar hacia atrás antes de la formación de las primeras estrellas. Entonces, si vemos eventos de fusión de agujeros negros antes de que las estrellas existieran, entonces sabremos que esos agujeros negros no son de origen estelar ".
Los cosmólogos miden qué tan atrás en el tiempo ocurrió un evento usando el desplazamiento hacia el rojo: el estiramiento de la longitud de onda de la luz asociada con la expansión del universo. Los eventos más atrás en el tiempo están asociados con cambios hacia el rojo más grandes. Para este estudio, Koushiappas y Loeb calcularonel desplazamiento al rojo en el que las fusiones de agujeros negros ya no deberían detectarse asumiendo solo un origen estelar.
Muestran que con un desplazamiento al rojo de 40, lo que equivale a unos 65 millones de años después del Big Bang, los eventos de fusión deben detectarse a una tasa de no más de uno por año, asumiendo un origen estelar. En los desplazamientos al rojo mayores a 40, los eventosdebería desaparecer por completo.
"Ese es realmente el punto muerto", dijo Koushiappas. "En realidad, esperamos que los eventos de fusión se detengan mucho antes de ese punto, pero un desplazamiento al rojo de 40 o más es el límite o punto de corte más difícil".
Un desplazamiento al rojo de 40 debería estar al alcance de varios experimentos propuestos de ondas gravitacionales. Y si detectan eventos de fusión más allá de eso, significa una de dos cosas, Koushiappas y Loeb dicen: O existen agujeros negros primordiales, o el universo primitivo evolucionó enuna manera que es muy diferente del modelo cosmológico estándar. Cualquiera sería un descubrimiento muy importante, dicen los investigadores.
Por ejemplo, los agujeros negros primordiales caen en una categoría de entidades conocidas como MACHO u Objetos de halo compactos masivos. Algunos científicos han propuesto que la materia oscura, el material invisible que se cree que comprende la mayor parte de la masa del universo,puede estar hecho de MACHO en forma de agujeros negros primordiales. Una detección de agujeros negros primordiales reforzaría esa idea, mientras que una no detección arrojaría dudas sobre ella.
La única otra explicación posible para las fusiones de agujeros negros en desplazamientos al rojo superiores a 40 es que el universo es "no gaussiano". En el modelo cosmológico estándar, las fluctuaciones de materia en el universo temprano se describen mediante una distribución de probabilidad gaussiana. Una detección de fusiónpodría significar que las fluctuaciones de la materia se desvían de una distribución gaussiana.
"La evidencia de no Gaussianity requeriría una nueva física para explicar el origen de estas fluctuaciones, lo que sería un gran problema", dijo Loeb.
La velocidad a la que las detecciones se realizan más allá de un desplazamiento al rojo de 40, si se hacen tales detecciones, debería indicar si son un signo de agujeros negros primordiales o evidencia de no Gaussianity. Pero una no detección presentaríaun gran desafío para esas ideas.
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Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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