Agujero negro primordial - Primordial black hole

Los agujeros negros primordiales son un tipo hipotético de agujero negro que se formó poco después del Big Bang . En el universo temprano, las altas densidades y las condiciones heterogéneas podrían haber llevado a regiones suficientemente densas a sufrir un colapso gravitacional, formando agujeros negros. Yakov Borisovich Zel'dovich e Igor Dmitriyevich Novikov en 1966 propusieron por primera vez la existencia de tales agujeros negros. La teoría detrás de sus orígenes fue estudiada por primera vez en profundidad por Stephen Hawking en 1971. Dado que los agujeros negros primordiales no se formaron a partir del colapso gravitacional estelar , sus masas pueden estar muy por debajo de la masa estelar (c.2 × 10 ³⁰  kg ).

Historia teórica

Dependiendo del modelo, los agujeros negros primordiales podrían tener masas iniciales que van desde 10 ⁻⁸  kg (las llamadas reliquias de Planck) a más de miles de masas solares. Sin embargo, los agujeros negros primordiales que originalmente tenían una masa inferior a10 ¹¹  kg no habrían sobrevivido hasta el presente debido a la radiación de Hawking , que provoca la evaporación completa en un tiempo mucho más corto que la edad del Universo. Los agujeros negros primordiales no son bariónicos y, como tales, son candidatos plausibles de materia oscura . Los agujeros negros primordiales también son buenos candidatos para ser las semillas de los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias masivas, así como de los agujeros negros de masa intermedia .

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

En marzo de 2016, un mes después del anuncio de la detección por 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. 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 hecha de agujeros negros primordiales, si una fracción no despreciable de ellos se agrupa de alguna manera dentro de halos como galaxias enanas débiles o globulares. cúmulos , como esperaba 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 solo 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 revivido fuertemente el interés en los agujeros negros primordiales con masas en el rango de 1 a 100 masas solares. Sin embargo, todavía se debate si este rango está excluido o no por otras observaciones, como la ausencia de micro-lentes de estrellas, las anisotropías de fondo de microondas cósmicas , el tamaño de galaxias enanas débiles y la ausencia de correlación entre rayos X y fuentes de radio hacia el centro galáctico.

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

En abril de 2019, se publicó un estudio que sugiere que esta hipótesis puede ser un callejón sin salida. Un equipo internacional de investigadores ha sometido una teoría especulada por el difunto Stephen Hawking a su prueba más rigurosa hasta la fecha, y sus resultados han descartado la posibilidad de que los agujeros negros primordiales de menos de una décima de milímetro (7 × 10 ²² kg) hagan hasta la mayor parte de la materia oscura.

En agosto de 2019, se publicó un estudio que abrió la posibilidad de formar toda la materia oscura con agujeros negros primordiales de masa de asteroides (3,5 × 10 ⁻¹⁷ - 4 × 10 ⁻¹² masas solares, o 7,0 × 10 ¹³ - 8 × 10 ¹⁸ kg).

En septiembre de 2019, un informe de James Unwin y Jakub Scholtz propuso la posibilidad de un agujero negro primordial (PBH) con una masa de 5 a 15  M _⊕ (masas terrestres), aproximadamente del diámetro de una pelota de tenis , existente en el cinturón de Kuiper extendido a explicar las anomalías orbitales que se teorizan como el resultado de un noveno planeta en el sistema solar.

Formación

Los agujeros negros primordiales podrían haberse formado en el Universo muy temprano (menos de un segundo después del Big Bang), durante la llamada era 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. Normalmente, se requieren contrastes de densidad (donde está la densidad del Universo) para formar un agujero negro. Existen varios mecanismos capaces de producir tales inhomogeneidades en el contexto de inflación cósmica (en modelos híbridos de inflación, por ejemplo, inflación de axiones ), recalentamiento o transiciones de fase cosmológica. ${\ Displaystyle \ delta \ rho / \ rho \ sim 0.1}$${\ Displaystyle \ rho}$

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 útil, 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 un gran número de tales agujeros negros primordiales más pequeños podrían existir en la Vía Láctea en nuestra galaxia 's de halo región. Se teoriza que todos los agujeros negros emiten radiación de Hawking a una tasa inversamente proporcional a su masa. Dado que esta emisión disminuye aún más su masa, los agujeros negros con una masa muy pequeña experimentarían una evaporación descontrolada, creando un estallido de radiación en la fase final, equivalente a una bomba de hidrógeno que produce millones de megatones de fuerza explosiva. Un agujero negro regular (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 cayera ninguna materia). Sin embargo, dado que los agujeros negros primordiales no están formados por el colapso del núcleo estelar, pueden ser de cualquier tamaño. Un agujero negro con una masa de aproximadamente 10 ¹¹ kg tendría una vida útil aproximadamente igual a la edad del universo. Si estos agujeros negros de baja masa se crearan en número suficiente en el Big Bang, deberíamos poder observar explosiones de algunos de los que están relativamente cerca en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea . La NASA 's de rayos gamma Fermi telescopio espacial por satélite, lanzado en junio de 2008, fue diseñada en parte para buscar este tipo de agujeros negros primordiales de 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 la falta de gran influencia gravitacional.
• Lente de ráfagas de rayos gamma: los objetos compactos pueden inducir un cambio en la luminosidad de las ráfagas de rayos gamma cuando pasan cerca de su línea de visión, a través del efecto de lente gravitacional . El experimento Fermi Gamma-Ray Burst Monitor descubrió que los agujeros negros primordiales no pueden contribuir de manera importante a la materia oscura dentro del rango de masa de 5 x 10 ¹⁴ - 10 ¹⁷ kg. Sin embargo, un nuevo análisis ha eliminado este límite después de tener debidamente en cuenta la naturaleza extendida de la fuente, así como los efectos de la óptica de ondas.
• Captura de agujeros negros primordiales por estrellas de neutrones: si los agujeros negros primordiales con masas entre 10 ¹⁵ kg y 10 ²² kg tuvieran abundancias comparables a las de la materia oscura, las estrellas de neutrones en cúmulos globulares deberían haber capturado algunos de ellos, lo que llevó a la rápida destrucción de la estrella. La observación de estrellas de neutrones en cúmulos globulares se puede utilizar para establecer un límite en la abundancia de agujeros negros primordiales. Sin embargo, un estudio detallado de la dinámica de captura ha desafiado este límite y conducido a su eliminación.
• Supervivencia de las enanas blancas: si un agujero negro primordial atraviesa una enana blanca C / O, puede encender el carbono y producir posteriormente una explosión descontrolada. La distribución de masa de la enana blanca observada puede, por lo tanto, proporcionar un límite a la abundancia de agujeros negros primordiales. Los agujeros negros primordiales en el rango de ~ 10 ¹⁶ - 10 ¹⁷ kg se han descartado por ser un componente dominante de la densidad de materia oscura local. Además, la explosión descontrolada puede verse como una supernova de Tipo Ia. Los agujeros negros primordiales en el rango de masa de 10 ¹⁷ –10 ¹⁹   kg están limitados por la tasa de supernova observada, aunque estos límites están sujetos a incertidumbres astrofísicas. Un estudio detallado con simulaciones hidrodinámicas desafió estos límites y condujo a la reapertura de estos rangos de masa.
• Micro-lente de estrellas: si un agujero negro primordial pasa entre nosotros y una estrella distante, induce un aumento de estas estrellas debido al efecto de lente gravitacional . Al monitorear la magnitud de las estrellas en las Nubes de Magallanes , los estudios EROS y MACHO han puesto un límite a la abundancia de agujeros negros primordiales en el rango de 10 ²³ - 10 ³¹ kg. Al observar estrellas en la galaxia de Andrómeda (M31), Subaru / HSC han puesto un límite a la abundancia de agujeros negros primordiales en el rango de 10 ¹⁹ - 10 ²⁴ kg. Según estos estudios, los agujeros negros primordiales dentro de este rango no pueden constituir una fracción importante de la materia oscura. Sin embargo, estos límites dependen del modelo. También se ha argumentado que si los agujeros negros primordiales se reagrupan en halos densos, las limitaciones de las microlentes se evitan naturalmente. La técnica de microlentes sufre el efecto de fuente de tamaño finito y la difracción al sondear agujeros negros primordiales con masas más pequeñas. Se derivaron leyes de escala para demostrar que es poco probable que las microlentes ópticas limiten la abundancia de agujeros negros primordiales con masas por debajo de ~ 10 ¹⁸ kg en un futuro previsible.
• Micro-lente de supernovas Ia : Los agujeros negros primordiales con masas mayores de 10 ²⁸ kg magnificarían la supernova de tipo Ia distante (o cualquier otra vela estándar de luminosidad conocida) debido a lentes gravitacionales . Estos efectos serían evidentes si los agujeros negros primordiales fueran una contribución significativa a la densidad de materia oscura, que está limitada por los conjuntos de datos actuales.
• Anisotropías de temperatura en el fondo cósmico de microondas: la acreción de materia en los 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). Los Planck observaciones del CMB excluye que los agujeros negros primordiales con masas en el rango de 100 - 10 ⁴ masas solares contribuyen de manera importante a la materia oscura, al menos en el modelo conservador más simple. Todavía se debate si las restricciones son más fuertes o más débiles en escenarios más realistas o complejos.
• Firmas de rayos gamma de la aniquilación de la materia oscura: si la materia oscura en el Universo tiene la 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. La aniquilación de los WIMP en el halo conduce a una señal en el espectro de rayos gamma que es potencialmente detectable por instrumentos dedicados como el telescopio espacial de rayos gamma Fermi .

En el momento de la detección por LIGO de las ondas gravitacionales emitidas durante la coalescencia final de dos agujeros negros de 30 masas solares, el rango de masas entre 10 y 100 masas solares todavía estaba muy limitado. Desde entonces, se ha afirmado que nuevas observaciones cierran esta ventana, al menos para los modelos en los que los agujeros negros primordiales tienen todos la misma masa:

• de la ausencia de correlaciones ópticas y de rayos X en fuentes puntuales observadas en la dirección del centro galáctico.
• del calentamiento dinámico de las galaxias enanas
• a partir de la observación de un cúmulo central de estrellas en la galaxia enana Eridanus II (pero estas limitaciones se pueden relajar si Eridanus II posee un agujero negro central de masa intermedia, como sugieren algunas observaciones). Si los agujeros negros primordiales exhiben una amplia distribución de masa, esas restricciones aún podrían eludirse.
• del micro-lente gravitacional de cuásares distantes por galaxias más cercanas, permitiendo que solo el 20% de la materia galáctica esté en forma de objetos compactos con masas estelares, un valor consistente con la población estelar esperada.
• a partir de microlentes de estrellas distantes por cúmulos de galaxias, lo que sugiere que la fracción de materia oscura en forma de agujeros negros primordiales con masas comparables a las encontradas por LIGO debe ser inferior al 10%.

En el futuro, se establecerán nuevos límites mediante varias observaciones:

• El radiotelescopio Square Kilometer Array (SKA) sondeará los efectos de los agujeros negros primordiales en la historia de reionización del Universo, debido a la inyección de energía en el medio intergaláctico, inducida por la acumulación de materia en los agujeros negros primordiales.
• LIGO, VIRGO y los futuros detectores de ondas gravitacionales detectarán nuevos eventos de fusión de agujeros negros, a partir de los cuales se podría reconstruir la distribución de masa de los agujeros negros primordiales. Estos detectores podrían permitir distinguir sin ambigüedades entre orígenes primordiales o estelares si se detectan eventos de fusión que involucren agujeros negros con una masa inferior a 1,4 masas solares. Otra forma sería medir la gran excentricidad orbital de los binarios primordiales de los agujeros negros.
• Los detectores de ondas gravitacionales, como la Antena Espacial del Interferómetro Láser (LISA) y las matrices de temporización de púlsar , también sondearán el fondo estocástico de las ondas gravitacionales emitidas por las binarias primordiales de los agujeros negros, cuando todavía orbitan relativamente lejos entre sí.
• Las nuevas detecciones de galaxias enanas débiles, y las observaciones de su cúmulo central de estrellas, podrían usarse para probar la hipótesis de que estas estructuras dominadas por materia oscura contienen agujeros negros primordiales en abundancia.
• El monitoreo de las posiciones y velocidades de las estrellas dentro de la Vía Láctea podría usarse para detectar la influencia de un agujero negro primordial cercano.
• Se ha sugerido que un pequeño agujero negro que atraviese la Tierra produciría una señal acústica detectable. Debido a su pequeño diámetro, gran masa en comparación con un nucleón y velocidad relativamente alta, tales agujeros negros primordiales simplemente transitarían por la Tierra prácticamente sin obstáculos con solo unos pocos impactos en los nucleones, saliendo del planeta sin efectos nocivos.
• Otra forma de detectar agujeros negros primordiales podría ser observando ondas en la superficie de las estrellas. Si el agujero negro pasara a través de una estrella, su densidad causaría vibraciones observables.
• Monitoreo de cuásares en la longitud de onda de microondas y detección de la función óptica de onda de microlente gravitacional por los agujeros negros primordiales.
• La otra consecuencia de la observación sería la colisión de los agujeros negros primordiales con la Tierra y el atrapamiento en su interior que fue estudiado por S. Rahvar en 2021. Considerando que toda la materia oscura está hecha de agujeros negros primordiales con la función de masa permitida en el rango de observación, la probabilidad de este evento es mucho menor que la edad del Universo.

Trascendencia

Los problemas para los que los agujeros negros primordiales han sugerido como solución incluyen el problema de la materia oscura , el problema de la pared del dominio cosmológico y el problema de los monopolos cosmológicos . Dado que los agujeros negros primordiales no necesariamente tienen que ser pequeños (pueden tener cualquier tamaño), pueden haber contribuido a la formación posterior de galaxias .

Incluso si no resuelven estos problemas, el bajo número de agujeros negros primordiales (a partir de 2010, solo se confirmaron dos agujeros negros de masa intermedia ) ayuda a los cosmólogos a imponer restricciones al espectro de fluctuaciones de densidad en el universo temprano.

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 pequeña escala y "ralentizaría la evaporación bastante sustancialmente". Esto podría significar que hay varios miles de agujeros negros en nuestra galaxia. Para probar esta teoría, los científicos utilizarán el telescopio espacial de rayos gamma Fermi que fue puesto en órbita por la NASA el 11 de junio de 2008. Si observan patrones de interferencia pequeños específicos dentro de los estallidos de rayos gamma , podría ser la primera evidencia indirecta de agujeros negros y teoría de cuerdas.

Ver también

• Lista de agujeros negros
• Lista de agujeros negros más cercanos

Referencias