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Cómo detectar agujeros negros primordiales

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04/12/2017 21:42 0 Comentarios Lectura: ( palabras)

Se podría usar ondas gravitacionales para detectar agujeros negros primordiales generados en el Big Bang.

Queremos saber sobre el inicio del Universo porque eso, en última instancia, determinó nuestra existencia. Pero saber sobre el Big Bang no es sencillo, se han necesitado muchos años de esfuerzos y desarrollos tecnológicos para saber lo que sabemos ahora.

Pero no lo sabemos todo sobre el Big Bang, hay aspectos que todavía desconocemos, aunque se propusieran hace muchas décadas. Uno de esos aspectos es la existencia de agujeros negros primordiales. Es decir, agujeros negros que se crearon justo después del Big Bang.

La idea es que las fluctuaciones mecánico cuánticas fueron amplificadas por la inflación de tal modo que provocaron regiones en las que la densidad de materia era mayor. Esas pequeñas inhomogenidades permitieron a la gravedad actuar y generar las galaxias y las estrellas que contienen. Pero no hay realmente limite al tamaño de estas fluctuaciones y pudo ocurrir que, en algunos puntos, provocaran una densidad aún mayor que diera lugar a la formación de agujeros negros. Esta idea de los agujeros negros primordiales fue propuesta por Stephen Hawking en los setenta, pero todavía no ha sido corroborada.

La idea de Hawking es que estos agujeros negros podrían tener baja masa y, por tanto, podrían evaporarse por radiación Hawking en unos miles de millones de años. De tal modo que ahora podrían estar explotando en forma de estallidos de radiación. Pero no se han encontrado estallidos de este tipo aún.

Por tanto, o bien los agujeros negros primordiales no existen o bien no se evaporan o no lo hacen por el mecanismo mencionado o tiene mayor masa y, por tanto, no les ha dado tiempo a evaporarse.

La realidad es que la propuesta de Hawking predecía agujeros negros de baja masa porque era la única propuesta concebible de poder ser confirmada experimentalmente en ese momento. Es como el borracho que al volver a casa pierde la llaves y las busca debajo de la farola. Lo hace allí porque es el único sitio en el que las podría ver.

Sin embargo, si consideramos que esos agujeros primordiales pueden tener una mayor masa, ahora sí contamos con una nueva herramienta observacional para comprobar la hipótesis: los detectores de ondas gravitacionales.

LIGO y Virgo nos han mostrado que se pueden detectar las colisiones de agujeros negros. Los cinco eventos de este tipo hasta registrados no corresponden a agujeros primordiales, pero nos dicen que es posible detectar las ondas gravitacionales producidas en este tipo de eventos y caracterizar los agujeros implicados.

Los agujeros negros se forman generalmente al final de las vidas de estrellas de alta masa, en concreto de supernovas de tipo II. Se han estado formando desde que aparecieran las primeras estrellas en el Universo y vivirán mucho más que la edad actual del Universo antes de que se evaporen. LIGO nos ha mostrado que, de vez en cuando, dos de estos agujeros pueden colisionar entre sí. Por otro lado, los agujeros negros primordiales se habrían formado antes de que hubiera estrellas y también podrían chocar entre sí y generar ondas gravitacionales.

La pregunta es cómo distinguir entre la colisión de agujeros negros primordiales y la de agujeros negros estelares. Esto es lo que se han planteado Savvas Koushiappas y Abraham Loeb (Brown University) y han llegado a una solución en un artículo reciente.

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"La idea es muy simple. Con los futuros experimentos de ondas gravitacionales, seremos capaces de mirar hacia atrás en el tiempo a antes de la formación de las primeras estrellas. Así, si vemos a agujeros negros colisionar antes de que existieran estrellas, entonces esos agujeros no tienen un origen estelar", dice Koushiappas.

Como bien sabemos ya, cuando más lejos miramos en el Universo más atrás en el tiempo nos remontamos. Para saber lo lejos que está un objeto cosmológico podemos medir su corrimiento al rojo. Este se da por la propia expansión del espacio que media entre ese objeto y nosotros y no por efecto Doppler. Sólo hace falta tomar un espectro del objeto y medir la longitud de onda actual de alguna linea de emisión o absorción en concreto conocida y compararla con la longitud de onda de entonces cuando fue emitida la luz (que se puede medir en el laboratorio o en el universo local).

Entonces, el corrimiento al rojo z, será la longitud de onda de ahora partida por la longitud de onda de entonces y a todo ello se le resta uno. De este modo, para objetos locales tenemos un z=0 y este valor se hará cada vez más grande conforme nos acerquemos al Big bang con nuestras observaciones. Este valor z tiene el límite observacional con ondas electromagnéticas de los 380.000 años tras el Big Bang, que es cuando el Universo se hizo transparente por primera vez y dejó que la luz viajara libremente. Pero esto no es un problema cuando usamos ondas gravitacionales.

En este trabajo de Koushiappas se calcula el z al que la colisión de agujeros negros no se detectaría asumiendo que sólo hay agujeros negros estelares.

Para un z=40, que es equivalente a unos 65 millones de años tras el Big Bang, las colisiones de agujeros negros se darían a una tasa de no más de una al año. Por encima de ese valor de z, las posibles señales de ondas gravitacionales desaparecerían si sólo hay agujeros negros estelares. Es decir, que si se detectan este tipo de eventos a un z mayor que 40 entonces se tratará de agujeros negros primordiales.

Naturalmente, ahora mismo ni LIGO ni otros interferómetros de ondas gravitaciones tienen sensibilidad suficiente como para detectar las ondas de eventos de este tipo a más de z=40. Pero sí se han propuesto sistemas para hacerlo en un futuro no tan lejano.

Así que cuando se disponga de este tipo de sistemas y, básicamente, se pueda observar casi todo el universo visible en ondas gravitacionales, podremos afirmar si los agujeros negros primordiales (ANP) existen o no. En ambos casos será muy interesante. Si la respuesta es afirmativa entonces se corroborarán los modelos actuales, si es negativa entonces habrá algo que no entendemos bien del Universo, por lo que habrá que replantearse algunos conceptos cosmológicos.

Si los ANP tienen una masa intermedia correspondiente a los que se ha llamamos un MACHO (Massive Compact Halo Objects) entonces podrían tener una importante contribución a la materia oscura, aunque en campañas de observación del pasado basadas en el efecto de microlente gravitatoria se descartó que hubiera una gran número de estos MACHOs.

La otra posible explicación la existencia previa a ese z=40 de colisiones de agujeros negros estelares es que las fluctuaciones en la distribución de materia fueran no es gaussiana, lo que requería una nueva física que lo explicase.

Aunque el ritmo de detección de esos eventos a más de z=40 nos podría decir si esos agujeros negros son estelares o primordiales, según los autores del estudio.

Definitivamente se nos ha abvierto una nueva ventana de observación del Universo.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=5857

Fuentes y referencias:

Artículo original.

Copia en ArXiv.

Ilustración: ESA?C.Carreau.


Sobre esta noticia

Autor:
Neofronteras (1092 noticias)
Fuente:
neofronteras.com
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Tipo:
Reportaje
Licencia:
Creative Commons License
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