Es posible que los científicos hayan encontrado una respuesta al misterio de la materia oscura. Implica un subproducto inesperado
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Durante unos 50 años, la comunidad científica ha estado lidiando con un problema sustancial: no hay suficiente materia visible en el universo.
Toda la materia que podemos ver (estrellas, planetas, polvo cósmico y todo lo demás) no puede explicar por qué el universo se comporta como lo hace, y debe haber cinco veces más cantidad alrededor para que las observaciones de los investigadores tengan sentido. según la nasa. Los científicos la llaman materia oscura porque no interactúa con la luz y es invisible.
En la década de 1970, los astrónomos estadounidenses Vera Rubin y W. Kent Ford confirmaron la existencia de materia oscura observando estrellas que orbitaban en el borde de galaxias espirales. Observaron que estas estrellas se movían demasiado rápido para mantenerse unidas por la materia visible de la galaxia y su gravedad; en lugar de eso, deberían haberse separado. La única explicación era una gran cantidad de materia invisible que unía a la galaxia.
“Lo que ves en una galaxia espiral” Rubin dijo en ese momento, “no es lo que obtienes”. Su trabajo se basó en una hipótesis formulada en la década de 1930 por el astrónomo suizo Fritz Zwicky e impulsó la búsqueda de la elusiva sustancia.
Desde entonces, los científicos han intentado observar la materia oscura directamente e incluso han construido dispositivos grandes para detectarlo, pero hasta ahora, sin suerte.
Al principio de la búsqueda, el renombrado físico británico Stephen Hawking postuló que la materia oscura podría estar escondida en agujeros negros (el tema principal de su trabajo) formados durante el Big Bang.
Ahora, un nuevo estudio realizado por investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts ha vuelto a poner la teoría en el centro de atención, revelando de qué estaban hechos estos agujeros negros primordiales y descubriendo potencialmente un tipo completamente nuevo de agujero negro exótico en el proceso.
“Fue realmente una sorpresa maravillosa en ese sentido”, dijo David Kaiser, uno de los autores del estudio.
“Estábamos utilizando los famosos cálculos de Stephen Hawking sobre los agujeros negros, especialmente su importante resultado sobre la radiación que emiten los agujeros negros”, dijo Kaiser. “Estos exóticos agujeros negros surgen al intentar abordar el problema de la materia oscura; son un subproducto de la explicación de la materia oscura”.
La primera quintillónésima de segundo
Los científicos han hecho muchas conjeturas sobre lo que podría ser la materia oscura, desde partículas desconocidas hasta dimensiones adicionales. Pero la teoría de los agujeros negros de Hawking sólo ha entrado en juego últimamente.
“La gente realmente no lo tomó en serio hasta hace unos 10 años”, dijo la coautora del estudio Elba Alonso-Monsalve, estudiante de posgrado del MIT. “Y eso se debe a que los agujeros negros alguna vez parecieron realmente esquivos: a principios del siglo XX, la gente pensaba que eran sólo un dato matemático divertido, nada físico”.
Ahora sabemos que casi todas las galaxias tienen un agujero negro en su centro, y el descubrimiento de los investigadores del agujero negro de Einstein ondas gravitacionales creado por la colisión de agujeros negros en 2015, un hallazgo histórico, dejó en claro que están en todas partes.
“En realidad, el universo está lleno de agujeros negros”, dijo Alonso-Monsalve. “Pero la partícula de materia oscura no ha sido encontrada, a pesar de que la gente buscó en todos los lugares donde esperaban encontrarla. Esto no quiere decir que la materia oscura no sea una partícula, o que con seguridad sean agujeros negros. Podría ser una combinación de ambos. Pero ahora, los agujeros negros como candidatos a materia oscura se toman mucho más en serio”.
Otro estudios recientes han confirmado la validez de la hipótesis de Hawking, pero el trabajo de Alonso-Monsalve y Kaiser, profesor de física y profesor Germeshausen de Historia de la Ciencia en el MIT, va un paso más allá y analiza exactamente qué sucedió cuando se formaron por primera vez los agujeros negros primordiales. .
El estudiarpublicado el 6 de junio en la revista Physical Review Letters, revela que estos agujeros negros debieron haber aparecido en la primera quintillónésima de segundo del big bang: “Eso es realmente temprano, y mucho antes que el momento en que los protones y neutrones, los Se formaron las partículas de las que está hecho todo”, dijo Alonso-Monsalve.
En nuestro mundo cotidiano, no podemos encontrar protones y neutrones descompuestos, añadió, y actúan como partículas elementales. Sin embargo, sabemos que no lo son, porque están formados por partículas aún más pequeñas llamadas quarks, unidas por otras partículas llamadas gluones.
“Ahora no se pueden encontrar quarks y gluones solos y libres en el universo porque hace demasiado frío”, añadió Alonso-Monsalve. “Pero al principio del Big Bang, cuando hacía mucho calor, se los podía encontrar solos y libres. Así, los agujeros negros primordiales se formaron absorbiendo quarks y gluones libres”.
Tal formación los haría fundamentalmente diferentes de los agujeros negros astrofísicos que los científicos normalmente observan en el universo, que son el resultado del colapso de estrellas. Además, un agujero negro primordial sería mucho más pequeño: sólo la masa de un asteroide, en promedio, condensada en el volumen de un solo átomo. Pero si un número suficiente de estos agujeros negros primordiales no se evaporaran en las primeras etapas del Big Bang y sobrevivieran hasta el día de hoy, podrían representar toda o la mayor parte de la materia oscura.
Una firma duradera
Según el estudio, durante la formación de los agujeros negros primordiales, se debe haber formado otro tipo de agujero negro nunca antes visto como una especie de subproducto. Estos habrían sido aún más pequeños: solo la masa de un rinocerontecondensado en menos del volumen de un solo protón.
Estos minúsculos agujeros negros, debido a su pequeño tamaño, habrían podido adquirir una propiedad rara y exótica de la sopa de quarks y gluones en la que se formaron, llamada “carga de color”. Se trata de un estado de carga exclusivo de los quarks y gluones, que nunca se encuentra en objetos ordinarios, afirmó Kaiser.
Esta carga de color los haría únicos entre los agujeros negros, que normalmente no tienen carga de ningún tipo. “Es inevitable que estos agujeros negros aún más pequeños también se hubieran formado, como subproducto (de la formación de los agujeros negros primordiales)”, dijo Alonso-Monsalve, “pero ya no existirían hoy, porque ya se habrían evaporado”.
Sin embargo, si todavía estuvieran alrededor de diez millonésimas de segundo en el big bang, cuando se formaron protones y neutrones, podrían haber dejado firmas observables al alterar el equilibrio entre los dos tipos de partículas.
“El equilibrio entre cuántos protones y cuántos neutrones se formaron es muy delicado y depende de qué otras cosas existían en el universo en ese momento. Si estos agujeros negros con carga de color todavía existieran, podrían haber cambiado el equilibrio entre protones y neutrones (a favor de uno u otro), lo suficiente como para que en los próximos años pudiéramos medir eso”, añadió.
La medición podría provenir de telescopios terrestres o instrumentos sensibles en satélites en órbita, dijo Kaiser. Pero podría haber otra manera de confirmar la existencia de estos exóticos agujeros negros, añadió.
“Crear una población de agujeros negros es un proceso muy violento que enviaría enormes ondas en el espacio-tiempo circundante. Estos se atenuarían a lo largo de la historia cósmica, pero no a cero”, dijo Kaiser. “La próxima generación de detectores gravitacionales podría vislumbrar los agujeros negros de pequeña masa, un estado exótico de la materia que fue un subproducto inesperado de los agujeros negros más mundanos que podrían explicar la materia oscura actual”.
Muchas formas de materia oscura
¿Qué significa esto para los experimentos en curso que intentan detectar materia oscura, como la Experimento de materia oscura LZ en Dakota del Sur?
“La idea de que existen nuevas partículas exóticas sigue siendo una hipótesis interesante”, dijo Kaiser. “Existen otros tipos de grandes experimentos, algunos de los cuales están en construcción, que buscan formas sofisticadas de detectar ondas gravitacionales. Y estos, de hecho, podrían captar algunas de las señales perdidas del muy violento proceso de formación de los agujeros negros primordiales”.
También existe la posibilidad de que los agujeros negros primordiales sean sólo una fracción de la materia oscura, añadió Alonso-Monsalve. “En realidad, no tiene por qué ser todo igual”, dijo. “Hay cinco veces más materia oscura que materia normal, y la materia normal se forma a partir de una gran cantidad de partículas diferentes. Entonces, ¿por qué la materia oscura debería ser un único tipo de objeto?
Los agujeros negros primordiales han recuperado popularidad con el descubrimiento de las ondas gravitacionales, pero no se sabe mucho sobre su formación, según Nico Cappelluti, profesor asistente en el departamento de física de la Universidad de Miami. No participó en el estudio.
“Este trabajo es una opción interesante y viable para explicar la esquiva materia oscura”, dijo Cappelluti.
El estudio es apasionante y propone un nuevo mecanismo de formación para la primera generación de agujeros negros, dijo Priyamvada Natarajan, profesor de Astronomía y Física Joseph S. y Sophia S. Fruton en la Universidad de Yale. Ella tampoco participó en el estudio.
“Todo el hidrógeno y el helio que tenemos hoy en nuestro universo se crearon en los primeros tres minutos, y si hubieran existido suficientes agujeros negros primordiales hasta entonces, habrían impactado ese proceso y esos efectos pueden ser detectables”, dijo Natarajan. .
“El hecho de que se trate de una hipótesis comprobable mediante observación es lo que me parece realmente emocionante, además del hecho de que esto sugiere que la naturaleza probablemente crea agujeros negros desde los primeros tiempos a través de múltiples vías”.
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