¿Podría la materia oscura ser agujeros negros?

Los astrónomos están reconsiderando los agujeros negros primordiales como una respuesta al misterio de la materia invisible, pero las observaciones recientes desaconsejan al menos algunos tamaños de agujeros negros.

La materia oscura es una espina en el lado colectivo de los astrónomos. Este material, detectable solo por su efecto gravitacional, parece constituir más del 80% de la materia del universo. ¿Pero, qué es esto?

Impresión artística de un agujero negro que pasa frente a una estrella en la galaxia de Andrómeda.
Kavli IPMU

Un contendiente que regresa son los agujeros negros primordiales. Estos objetos podrían haber nacido en la edad más temprana del universo, cuando el cosmos no era más que una sopa de plasma caliente, en su mayoría radiación, de hecho. Este plasma rico en radiación no era uniforme; su densidad fluctuaba de parche en parche. Si un parche fuera excesivamente denso en comparación con su entorno, entonces colapsaría naturalmente y crearía un agujero negro, una reliquia primordial mucho antes de que brillara la primera estrella. Si se forjara suficiente de estos agujeros negros, según el pensamiento, podrían proporcionar la masa invisible que forma el sustrato de galaxias, cúmulos de galaxias y la red cósmica.

"Personalmente, me parece realmente genial que la materia oscura pueda estar (incluso en parte) hecha de luz que colapsó en agujeros negros", dice Yacine Ali-Hamoud (Universidad de Nueva York). `` Me parece suficiente motivación para estudiar qué tan grande de una abundancia es permitida por las observaciones ''.

Los astrónomos comenzaron a buscar en serio los agujeros negros primordiales, o PBH, luego de que un artículo de 1986 de Bohdan Paczy sugiriera una forma de encontrarlos. Las búsquedas no dieron resultado, y el interés disminuyó.

Pero los PBH regresaron a la corriente principal científica hace unos años, después de que LIGO descubriera sus primeros agujeros negros. A decenas de masas solares, la fusión de los agujeros negros sorprendió a los astrónomos como inesperadamente fornidos por los objetos hechos de supernovas. Los científicos comenzaron a reconsiderar si las fuentes de LIGO podrían ser PBH en lugar de los núcleos de estrellas muertas. Si esa posibilidad sigue siendo viable hoy depende de a quién le pregunte, pero los PBH continúan disfrutando de su segundo viento.

Los astrónomos buscan PBH utilizando microlente, el impulso en la luz de las estrellas creado cuando un agujero negro pasa frente a una estrella más distante y su gravedad dobla parte de la luz de la estrella hacia nosotros. Este efecto de lente crea múltiples imágenes de la estrella demasiado pequeñas para resolverlas individualmente, pero combinadas crean una señal brillante. Encuestas anteriores de microlente han encontrado un puñado de PBH candidatos, pero ni un solo descubrimiento definitivo, dice Nathan Golovich (Laboratorio Nacional Lawrence Livermore). Dichas búsquedas están reduciendo la fracción de materia oscura que podrían ser estos agujeros negros merodeadores, pero la fracción restante depende de la franja de posibles masas de PBH que considere.

Varios tipos de observaciones han limitado el tamaño de una fracción de materia oscura que podría comprender agujeros negros primordiales, dependiendo de la masa de agujeros negros primordiales considerada. Las regiones sombreadas muestran regiones excluidas donde la existencia de tales agujeros negros primordiales no es consistente con varios datos de observación. La región roja es el resultado del estudio actual.
H. Niikura y col.

Como parte de este esfuerzo continuo, Hiroko Niikura (Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo, Universidad de Tokio) y sus colegas convirtieron la Hyper Suprime-Cam del telescopio Subaru de 8, 2 metros en nuestro vecino cósmico, la galaxia de Andrómeda (M31). Miraron la galaxia durante 7 horas, midiendo la luz de un estimado de 100 millones de estrellas. Las estrellas se amontonan en las imágenes resultantes, cada píxel contiene la luz de varios soles. Esta combinación es un problema común para los cazadores de microlente, y significa que, para encontrar un evento de microlente, los astrónomos no pudieron observar el comportamiento de una estrella individual. En cambio, buscaron píxeles que parpadeaban (presumiblemente porque una de las estrellas que contenía se había iluminado brevemente) y marcaron el evento como candidato.

Este enfoque arrojó 15.571 candidatos. A través de una serie de rondas de eliminación, los astrónomos redujeron los candidatos a aquellos que solo brillaron una vez (y probablemente no fueron estrellas variables), se iluminaron y se desvanecieron de la manera correcta, y no fueron pistas falsas creadas por su procesamiento de imágenes. Si la materia oscura en las galaxias de la Vía Láctea y Andrómeda está hecha principalmente de PBH con masas en el rango de masa de la Tierra hasta la luna Mimas de Saturno, el equipo planteó la hipótesis, entonces la búsqueda debería haber producido aproximadamente mil eventos.

Encontraron uno.

Desafortunadamente, los astrónomos no pueden determinar con los datos actuales si este único candidato es el destello de un agujero negro primordial que pasa frente a una estrella, escriben el 1 de abril en Nature Astronomy . El caso de los tan buscados PBH sigue abierto.

"Esta es una medida impresionante", dice Golovich. El equipo esencialmente ha tachado una gran parte de la contribución que los PBH en este rango de masa podrían hacer a la materia oscura: la fracción restante es menos de una centésima.

Sin embargo, las búsquedas de microlente no son perfectas. Entre las complejidades a las que están sujetos, las distancias de los agujeros negros determinan qué tan rápido se movería el agujero negro a través del campo de visión y, por lo tanto, el tipo de eventos que las observaciones pueden detectar. El equipo de Niikura estima que podrían "recuperar" solo del 20% al 30% de los eventos para la mayoría de las estrellas en sus imágenes. (El número es mucho mayor (60% a 70%) para el subconjunto de estrellas más brillantes). Esta fracción está a la par con la de otros estudios, que van del 10% al 50%, dice el coautor Masahiro Takada (Kavli IPMU, Universidad de Tokio).

El equipo continúa explorando sus datos M31. Una vez que hayan reunido suficientes candidatos, pueden recurrir a científicos ciudadanos para ayudarlos a investigar, dice Takada.

Referencia: Hiroko Niikura et al. "Restricciones de microlente en agujeros negros primordiales con observaciones de Andrómeda Subaru / HSC". Nature Astronomy . 1 de abril de 2019.