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Agujero negro primordial

Formación del universo sin (arriba) y con (abajo) agujeros negros primordiales

En cosmología , los agujeros negros primordiales ( PBH ) son agujeros negros hipotéticos que se formaron poco después del Big Bang . En la era inflacionaria y en el universo temprano dominado por la radiación , es posible que bolsas extremadamente densas de materia subatómica se hayan compactado hasta el punto de un colapso gravitacional , creando agujeros negros primordiales sin la compresión de supernova que normalmente se necesita para formar agujeros negros en la actualidad. Debido a que la creación de agujeros negros primordiales sería anterior a las primeras estrellas, no se limitan al estrecho rango de masas de los agujeros negros estelares .

En 1966, Yakov Zeldovich e Igor Novikov propusieron por primera vez la existencia de tales agujeros negros, [1] mientras que Stephen Hawking realizó el primer estudio en profundidad en 1971. [2] Sin embargo, su existencia sigue siendo hipotética. En septiembre de 2022, algunos investigadores propusieron agujeros negros primordiales para explicar las inesperadas galaxias tempranas muy grandes descubiertas por el Telescopio Espacial James Webb (JWST). [3] [4]

Los PBH se han considerado durante mucho tiempo componentes posiblemente importantes, si no casi exclusivos, de la materia oscura , [5] [6] [7] [8] esta última perspectiva se ha visto reforzada tanto por las observaciones de ondas gravitacionales del interferómetro LIGO / Virgo como por las observaciones del JWST. [9] [10] Las primeras limitaciones sobre los PBH, ya que la materia oscura generalmente asumía que la mayoría de los agujeros negros tendrían una masa similar o idéntica ("monocromática"), lo cual fue refutado por los resultados de LIGO/Virgo, [11] [12] [13] y más Las sugerencias de que la distribución real de la masa de los agujeros negros es ampliamente platicúrtica fueron evidentes a partir de las observaciones del JWST de las primeras grandes galaxias. [9] [10] Análisis recientes coinciden y sugieren una amplia distribución de masa con una moda alrededor de una masa solar . [14]

Muchos PBH pueden tener la masa de un asteroide pero el tamaño de un átomo de hidrógeno y viajar a velocidades enormes, y es probable que uno de ellos se encuentre dentro del sistema solar en un momento dado. Lo más probable es que tales PBH atraviesen una estrella "como una bala", sin ningún efecto significativo en la estrella. Sin embargo, los que viajen lentamente tendrían posibilidades de ser capturados por la estrella. [15] Stephen Hawking propuso que nuestro Sol puede albergar tal PBH. [dieciséis]

Historia

Dependiendo del modelo, los agujeros negros primordiales podrían tener masas iniciales que oscilan entre10 −8  kg [17] (las llamadas reliquias de Planck) a más de miles de masas solares. Sin embargo, los agujeros negros primordiales originalmente tenían masas inferiores a10 11  kg no habrían sobrevivido hasta el presente debido a la radiación de Hawking , que provoca una evaporación completa en un tiempo mucho más corto que la edad del Universo. [18] Los agujeros negros primordiales no son bariónicos , [19] y como tales son candidatos plausibles a materia oscura . [10] [5] [11] [12] [8] [13] [9] Los agujeros negros primordiales también son buenos candidatos para ser las semillas de los agujeros negros supermasivos en el centro de galaxias masivas, así como de galaxias intermedias. agujeros negros de masa . [20] [3] [4]

Los agujeros negros primordiales pertenecen a la clase de objetos de halo compactos masivos (MACHO). Naturalmente, son un buen candidato a materia oscura: no tienen (casi) colisiones y son estables (si son lo suficientemente masivos), tienen velocidades no relativistas y se forman muy temprano en la historia del Universo (normalmente menos de un segundo después). el Big Bang ). [21] Sin embargo, los críticos sostienen que se han establecido límites estrictos a su abundancia a partir de diversas observaciones astrofísicas y cosmológicas, lo que excluiría que contribuyan significativamente a la materia oscura en la mayor parte del rango de masa plausible. [22] Sin embargo, una nueva investigación ha vuelto a ofrecer la posibilidad de que estos agujeros negros se encuentren en cúmulos con un agujero negro primordial de 30 masas solares en el centro. [23]

Simulación de dos agujeros negros chocando

En marzo de 2016, un mes después del anuncio de la detección por parte de Advanced LIGO/VIRGO de ondas gravitacionales emitidas por la fusión de dos agujeros negros de 30 masas solares (aproximadamente6 × 10 31  kg ), tres grupos de investigadores propusieron de forma independiente que los agujeros negros detectados tenían un origen primordial. [24] [25] [26] [27] Dos de los grupos encontraron que las tasas de fusión inferidas por LIGO son consistentes con un escenario en el que toda la materia oscura está formada por agujeros negros primordiales, si una fracción no despreciable de ellos De alguna manera están agrupados dentro de halos como galaxias enanas débiles o cúmulos globulares , como lo espera la teoría estándar de la formación de estructuras cósmicas . El tercer grupo afirmó que estas tasas de fusión son incompatibles con un escenario de materia oscura y que los agujeros negros primordiales sólo podrían contribuir a menos del uno por ciento de la materia oscura total. La inesperada gran masa de los agujeros negros detectada por LIGO ha reavivado fuertemente el interés por los agujeros negros primordiales con masas en el rango de 1 a 100 masas solares. Todavía se debate si este rango queda excluido o no por otras observaciones, como la ausencia de microlente de las estrellas, [28] las anisotropías del fondo cósmico de microondas , el tamaño de las galaxias enanas débiles y la ausencia de correlación entre X- fuentes de rayos y radio hacia el centro galáctico.

En mayo de 2016, Alexander Kashlinsky sugirió que las correlaciones espaciales observadas en las radiaciones de fondo de rayos gamma y X no resueltas podrían deberse a agujeros negros primordiales con masas similares, si su abundancia es comparable a la de la materia oscura. [29]

En agosto de 2019, se publicó un estudio que abre la posibilidad de componer toda la materia oscura con agujeros negros primordiales con masa de asteroide (3,5 × 10 −17 – 4 × 10 −12 masas solares, o 7 × 10 13 – 8 × 10 18 kg). [30]

En septiembre de 2019, un informe de James Unwin y Jakub Scholtz propuso la posibilidad de que existiera un agujero negro primordial (PBH) con una masa de 5 a 15  M E (masas terrestres), aproximadamente del diámetro de una pelota de tenis , en el cinturón de Kuiper extendido para Explique las anomalías orbitales que, según la teoría, son el resultado de un noveno planeta en el sistema solar. [31] [32]

En octubre de 2019, Derek Inman y Yacine Ali-Haïmoud publicaron un artículo en el que descubrieron que las velocidades no lineales que surgen de la formación de la estructura son demasiado pequeñas para afectar significativamente las restricciones que surgen de las anisotropías del CMB [33].

En septiembre de 2021, la colaboración NANOGrav anunció que habían encontrado una señal de baja frecuencia que podría atribuirse a ondas gravitacionales y potencialmente podría asociarse con PBH. [34]

En septiembre de 2022, los agujeros negros primordiales se utilizaron para explicar las inesperadas galaxias tempranas muy grandes (alto corrimiento al rojo ) descubiertas por el telescopio espacial James Webb . [3] [4]

El 26 de noviembre de 2023, se encontró evidencia, por primera vez, de una galaxia con agujeros negros supermasiva ( OBG ), resultado de la "formación de semillas de agujeros negros pesados ​​a partir del colapso directo", una forma alternativa de producir un agujero negro distinta al colapso de una estrella muerta, se informó. Este descubrimiento se encontró en estudios de UHZ1 , una galaxia muy temprana que contiene un cuásar , realizados por el Observatorio de rayos X Chandra y el Telescopio espacial James Webb . [35] [36]

En 2024, una revisión realizada por Bernard Carr y sus colegas concluyó que los PBH se formaron en la época de la cromodinámica cuántica (QCD) antes de 10 a 5 segundos después del Big Bang, lo que resultó en una distribución de masa ampliamente platicúrtica actual, "con una serie de protuberancias distintas, el más prominente tiene alrededor de una masa solar". [14]

Formación

Los agujeros negros primordiales posiblemente se formaron por el colapso de regiones excesivamente densas en el universo inflacionario o temprano dominado por la radiación. [37]

Los agujeros negros primordiales podrían haberse formado en el Universo temprano (menos de un segundo después del Big Bang) durante la era inflacionaria , o en la era temprana dominada por la radiación . El ingrediente esencial para la formación de un agujero negro primordial es una fluctuación en la densidad del Universo, que induce su colapso gravitacional. Por lo general, se requieren contrastes de densidad (dónde está la densidad del Universo) para formar un agujero negro. [38]

Mecanismos de producción

Existen varios mecanismos capaces de producir tales faltas de homogeneidad en el contexto de la inflación cósmica (en modelos de inflación híbridos). Algunos ejemplos incluyen:

inflación axión

La inflación del axión es un modelo teórico en el que el axión actúa como un campo de inflación . Debido al período de tiempo en el que se crea, el campo oscila a su energía potencial mínima. Estas oscilaciones son responsables de las fluctuaciones de la densidad de energía en el universo primitivo. [39]

Recalentar

El recalentamiento es el proceso transitorio entre el período inflacionario y el período cálido, denso y dominado por la radiación. Durante este tiempo, el campo inflatón se desintegra en otras partículas. Estas partículas comienzan a interactuar para alcanzar el equilibrio térmico . Sin embargo, si este proceso es incompleto crea fluctuaciones de densidad, y si éstas son lo suficientemente grandes podrían ser responsables de la formación de PBH. [40]

Transiciones de fase cosmológica

Las transiciones de fase cosmológicas pueden causar heterogeneidades de diferentes maneras dependiendo de los detalles específicos de cada transición. Por ejemplo, un mecanismo se ocupa del colapso de regiones sobredensas que surgen de estas transiciones de fase, mientras que otro mecanismo involucra partículas altamente energéticas que se producen en estas transiciones de fase y luego pasan por un colapso gravitacional formando PBH. [41]

Trascendencia

problema de materia oscura

El problema de la materia oscura, propuesto en 1933 por el astrónomo suizo-estadounidense Fritz Zwicky , se refiere a que los científicos aún no saben qué forma adopta la materia oscura. PBH puede resolver esto de varias maneras. En primer lugar, si los PBH representaran toda o una cantidad significativa de la materia oscura del universo, esto podría explicar los efectos gravitacionales observados en las galaxias y los cúmulos galácticos. En segundo lugar, los PBH tienen diferentes mecanismos de producción propuestos. A diferencia de los WIMP , pueden emitir ondas gravitacionales que interactúan con la materia normal. Finalmente, el descubrimiento de los PBH podría explicar algunos de los efectos de lentes gravitacionales observados que no podrían surgir de la materia ordinaria. Si bien la evidencia de que los agujeros negros primordiales pueden constituir materia oscura no es concluyente a partir de 2023, investigadores como Bernard Carr y otros son firmes defensores. [9] [10] [42] [11] [12] [8] [13] [5] [43]

formación de galaxias

Dado que los agujeros negros primordiales no tienen por qué ser necesariamente pequeños (pueden tener cualquier tamaño), es posible que hayan contribuido a la formación de galaxias , como aquellas antes de lo esperado. [3] [4]

Problema del muro del dominio cosmológico

El problema de los muros de dominio cosmológico, propuesto en 1974 por el físico soviético Yakov Zeldovich , analizaba la formación de muros de dominio durante las transiciones de fase del universo primitivo y lo que podría surgir de sus grandes densidades de energía. Los PBH podrían servir como solución a este problema de varias maneras. Una explicación podría ser que los PBH pueden prevenir la formación de paredes de dominio debido a que ejercen fuerzas gravitacionales sobre la materia circundante, haciéndola aglomerarse y, en teoría, impidiendo la formación de dichas paredes. Otra explicación podría ser que los PBH podrían descomponer las paredes del dominio; Si estos se formaron en el universo temprano antes de los PBH, entonces, debido a las interacciones gravitacionales, podrían eventualmente colapsar en PBH. Finalmente, una tercera explicación podría ser que las PBH no violan las restricciones de observación; Si se detectaran PBH en el rango de masa de 10 12 -10 13 kg, entonces tendrían la densidad adecuada para formar toda la materia oscura del universo sin violar las restricciones, por lo que no surgiría el problema del muro de dominio. [44]

Problema cosmológico del monopolo

El problema cosmológico de los monopolos, también propuesto por Yakov Zeldovich a finales de los años 1970, consistía en la ausencia de monopolos magnéticos en la actualidad. Los PBH también pueden servir como solución a este problema. Para empezar, si existieran monopolos magnéticos en el universo primitivo, estos podrían haber interactuado gravitacionalmente con los PBH y haber sido absorbidos, explicando así su ausencia. Otra explicación debida a los PBH podría ser que los PBH habrían ejercido fuerzas gravitacionales sobre la materia, provocando que se agrupara y diluyera la densidad de los monopolos magnéticos. [45]

Teoria de las cuerdas

La relatividad general predice que los agujeros negros primordiales más pequeños ya se habrían evaporado, pero si hubiera una cuarta dimensión espacial  , como predice la teoría de cuerdas  , afectaría la forma en que actúa la gravedad a pequeñas escalas y "ralentizaría la evaporación de manera bastante sustancial". [46] En esencia, la energía almacenada en la cuarta dimensión espacial como una onda estacionaria otorgaría una masa en reposo significativa al objeto cuando se lo considera en el espacio-tiempo convencional de cuatro dimensiones. Esto podría significar que hay varios miles de agujeros negros primordiales en nuestra galaxia. Para comprobar esta teoría, los científicos utilizarán el telescopio espacial de rayos gamma Fermi , que la NASA puso en órbita el 11 de junio de 2008. Si observan pequeños patrones de interferencia específicos dentro de las explosiones de rayos gamma , podría ser la primera evidencia indirecta de Agujeros negros primordiales y teoría de cuerdas. [ necesita actualización ]

Límites de observación y estrategias de detección.

Se ha interpretado que una variedad de observaciones ponen límites a la abundancia y masa de los agujeros negros primordiales:

Vida, radiación de Hawking y rayos gamma: una forma de detectar agujeros negros primordiales, o de limitar su masa y abundancia, es mediante su radiación de Hawking . Stephen Hawking teorizó en 1974 que podrían existir grandes cantidades de agujeros negros primordiales más pequeños en la Vía Láctea, en la región del halo de nuestra galaxia . Se teoriza que todos los agujeros negros emiten radiación de Hawking a una velocidad inversamente proporcional a su masa. Dado que esta emisión disminuye aún más su masa, los agujeros negros con masa muy pequeña experimentarían una evaporación descontrolada, creando una explosión de radiación en la fase final, equivalente a una bomba de hidrógeno que produciría millones de megatones de fuerza explosiva. [47] Un agujero negro normal (de unas 3 masas solares ) no puede perder toda su masa dentro de la edad actual del universo (tardarían unos 10 69 años en hacerlo, incluso sin que caiga materia). Sin embargo, dado que los agujeros negros primordiales no se forman por el colapso del núcleo estelar, pueden ser de cualquier tamaño. Un agujero negro con una masa de unos 10 11 kg tendría una vida aproximadamente igual a la edad del universo. Si estos agujeros negros de baja masa se crearan en cantidad suficiente en el Big Bang, deberíamos poder observar explosiones de algunos de los que están relativamente cerca en nuestra propia galaxia , la Vía Láctea . El satélite Fermi del Telescopio Espacial de Rayos Gamma de la NASA , lanzado en junio de 2008, fue diseñado en parte para buscar agujeros negros primordiales en evaporación. Los datos de Fermi establecieron el límite de que menos del uno por ciento de la materia oscura podría estar formada por agujeros negros primordiales con masas de hasta 10,13 kg . La evaporación de los agujeros negros primordiales también habría tenido un impacto en la nucleosíntesis del Big Bang y habría cambiado la abundancia de elementos ligeros en el Universo. Sin embargo, si la radiación teórica de Hawking no existe realmente, tales agujeros negros primordiales serían extremadamente difíciles, si no imposibles, de detectar en el espacio debido a su pequeño tamaño y a la falta de una gran influencia gravitacional.

Anisotropías de temperatura en el fondo cósmico de microondas: la acumulación de materia en agujeros negros primordiales en el Universo temprano debería conducir a una inyección de energía en el medio que afecta la historia de recombinación del Universo. Este efecto induce firmas en la distribución estadística de las anisotropías del fondo cósmico de microondas (CMB). Las observaciones de Planck del CMB excluyen que los agujeros negros primordiales con masas en el rango de 100 a 10 4 masas solares contribuyan de manera importante a la materia oscura, [48] al menos en el modelo conservador más simple. Todavía se debate si las limitaciones son más fuertes o más débiles en escenarios más realistas o complejos.

Firmas de rayos gamma provenientes de la aniquilación de la materia oscura: si la materia oscura en el Universo está en forma de partículas masivas o WIMP que interactúan débilmente , los agujeros negros primordiales acumularían un halo de WIMP a su alrededor en el universo temprano. [49] La aniquilación de WIMP en el halo conduce a una señal en el espectro de rayos gamma que es potencialmente detectable mediante instrumentos dedicados como el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi. [50]

En el futuro se establecerán nuevos límites a partir de diversas observaciones:

Instalaciones capaces de proporcionar medición de PBH

Ninguna de estas instalaciones se centra en la detección directa de PBH debido a que es un fenómeno teórico, pero la información recopilada en cada experimento respectivo proporciona datos secundarios que pueden ayudar a proporcionar información y limitaciones sobre la naturaleza de las PBH. [59]

detectores GW

Telescopios espaciales

Estudios del cielo

Matrices muy grandes

Observatorios Fast Radio Bursts

Telescopios de rayos gamma MeV

Observatorios de rayos gamma GeV y TeV

Diferencia con los agujeros negros de colapso directo

Un agujero negro de colapso directo es el resultado del colapso de regiones de gas inusualmente densas y grandes, después de la era dominada por la radiación , mientras que los agujeros negros primordiales habrían resultado del colapso directo de energía, materia ionizada o ambas, durante la era inflacionaria. o eras dominadas por la radiación. [60]

Ver también

Referencias

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