Artículo publicado por Morgan Kelly el 19 de septiembre de 2011 en la Universidad de Princeton
Los científicos que buscan captar pruebas de la materia oscura – la sustancia invisible que se piensa que constituye gran parte del universo – pueden encontrar una útil herramienta en el reciente trabajo de investigadores de la Universidad de Princeton y la Universidad de Nueva York.
El equipo dio a conocer en un informe publicado en la revista Physical Review Lettersde este mes, un método creado para la detección de colisiones de estrellas contra un esquivo tipo de agujero negro, el cual está en la corta lista de objetos que se cree que componen la materia oscura.
Tal descubrimiento podría servir como prueba observable de la materia oscura y proporcionar una comprensión mucho más profunda del funcionamiento interno del universo.
Los investigadores postdoctorales Shravan Hanasoge del Departamento de Geociencias de Princeton, y Michael Kesden del Centro de Cosmología y Física de Partículas de la Universidad de Nueva York (NYU) simularon el resultado visible de un agujero negro primordial pasando a través de una estrella.
Como remanentes teóricos del Big Bang, los agujeros negros primordiales poseen las propiedades de la materia oscura y son uno de distintos objetos cósmicos que se cree que son el origen de la misteriosa sustancia, pero aún no se han observado.
Si los agujeros negros primordiales son la fuente de la materia oscura, la gran cantidad de estrellas en la galaxia de la Vía Láctea –
aproximadamente 100 mil millones – hace que el encuentro sea inevitable, según informan los autores.
A diferencia de los agujeros negros más grandes, un agujero negro primordial no se “tragaría” la estrella, sino que provocaría vibraciones perceptibles en la superficie estelar cuando pasa a través de la misma.
Por lo tanto, conforme aumenta el número de telescopios y satélites que estudian estrellas lejanas en la Vía Láctea, aumentan también las probabilidades de observar un agujero negro primordial cuando se desliza inocuamente a través de uno de los miles de millones de estrellas de la galaxia, dice Hanasoge.
El modelo de ordenador desarrollado por Hanasoge y Kesden puede utilizarse con las actuales técnicas de observación solar para ofrecer un método más preciso de detectar agujeros negros primordiales que con las herramientas existentes.
“Si los astrónomos sólo mirasen al Sol, las posibilidades de observar un agujero negro primordial serían bajas, pero la gente está ahora buscando en miles de estrellas”, comenta Hanasoge.
“Hay una cuestión más amplia de lo que constituye la materia oscura, y si se encontrase un agujero negro primordial encajaría todos los parámetros – tienen masa y fuerza por lo que influyen directamente en otros objetos del universo, y no interactúan con la luz .
La identificación de uno tendría profundas implicaciones para nuestra comprensión de los inicios del universo y la materia oscura”.
Aunque no se ha observado directamente la materia oscura, se cree que las galaxias residen en extensos halos de materia oscura, basándonos en efectos gravitatorios documentados de estos halos sobre el gas y las estrellas visibles de las galaxias.
Al igual que otros candidatos propuestos a materia oscura, los agujeros negros primordiales son difíciles de detectar porque no emiten ni absorben luz, atravesando sigilosamente el universo sólo con sutiles efectos gravitatorios sobre los objetos cercanos.
No obstante, debido a que los agujeros negros primordiales son más pesados que otros candidatos a materia oscura, su interacción con las estrellas serían detectables por parte de los observatorios estelares actuales y futuros, comenta Kesden.
Al cruzarse su camino con una estrella, la gravedad de un agujero negro primordial exprimiría la estrella, y luego, una vez que el agujero negro pasa a través de la misma, provocaría que la superficie estelar ondulase mientras vuelve a su lugar.
“Imagina que golpeas un globo lleno de agua y observas las ondas en el agua de su interior, eso es similar al aspecto en la superficie de una estrella”, señala Kesden. “Al mirar cómo se mueve la superficie de la estrella, puedes averiguar lo que está pasando en el interior. Si un agujero negro pasa a través de la estrella, puede verse la vibración en la superficie”.
Observando la superficie del Sol en busca de pistas de materia oscura
Kesden y Hanasoge utilizan el Sol como modelo para calcular el efecto de un agujero negro primordial en la superficie de una estrella.
Kesden, cuya investigación incluye agujeros negros y materia oscura, calculó la masa de un agujero negro primordial, así como la trayectoria probable del objeto a través del Sol.
Hanasoge, que estudia la sismología del Sol, la Tierra y las estrellas, calculó el efecto de vibración del agujero negro en la superficie del Sol.
Se crearon simulaciones de vídeo de los cálculos de los investigadores por parte de Tim Sandstrom de la NASA, utilizando la supercomputadora Pleiades de Centro de Investigación Ames de la agencia en California.
Un vídeo muestra las vibraciones en la superficie del Sol cuando un agujero negro primordial – representado por un camino blanco – pasa por su interior.
Una segunda película describe el resultado de un agujero negro rasgando la superficie solar.
Marc Kamionkowski, profesor de física y astronomía en la Universidad Johns Hopkins, dijo que el trabajo sirve como un conjunto de herramientas para la detección de agujeros negros primordiales, dado que Hanasoge y Kesden han proporcionado un método completo y preciso que aprovecha las actuales observaciones solares.
Kamionkowski es un físico teórico conocido por su trabajo con estructuras a gran escala y la historia temprana del universo, y aunque no participó en el proyecto, está familiarizado con él.
“Se sabe que a medida que un agujero negro primordial se acerca a una estrella, tiene un efecto, pero ésta es la primera vez que los cálculos son numéricamente precisos”, dijo Kamionkowski.
“Ésta es una idea inteligente que aprovecha las observaciones y mediciones ya realizadas por los físicos solares.
Es como si alguien te llama para decir que puede haber un millón de dólares en tu felpudo. Si resulta no ser cierto, tampoco te costará nada a mirar.
En este caso, es posible que haya materia oscura en los conjuntos de datos que ya tienen los astrónomos, ¿por qué no mirar?”
Un aspecto importante de la técnica de Kesden y Hanasoge, comenta Kamionkowski, es que se reduce una brecha significativa en la masa que puede detectarse por los métodos existentes de arrastre de agujeros negros primordiales.
La búsqueda de agujeros negros primordiales se ha visto por el momento limitada a masas que son demasiado pequeñas para incluir un agujero negro, o tan grandes que “los agujeros negros habrían interferido en las galaxias de formas tan atroces que nos habríamos dado cuenta”, dijo Kamionkowski.
“Los agujeros negros primordiales se han descuidado un poco y creo que es porque no ha habido una única idea bien motivada de cómo encontrarlos dentro del rango en el que probablemente podrían existir”.
El actual rango de masas en el que podrían observarse agujeros negros primordiales se estableció en base a anteriores observaciones directas de la radiación de Hawking – las emisiones de un agujero negro a medida que se evapora en rayos gamma – así como de la curvatura de la luz alrededor de grandes objetos estelares, dice Kesden.
La diferencia de masa entre estos fenómenos, sin embargo, es enorme, incluso en términos astronómicos.
La radiación de Hawking sólo puede observarse si la masa del agujero negro que se evapora es menor de 100 000 billones de gramos.
En el otro extremo, un objeto debe ser mayor de 100 cuatrillones (24 ceros) de gramos para que la luz se curve visiblemente a su alrededor. La búsqueda de agujeros negros primordiales cubrió una franja de masa que se extiende en un factor de 1000 millones, explicó Kesden – similar a la búsqueda de un objeto desconocido con un peso cualquiera entre una moneda y un camión basculante.
Él y Hanasoge sugieren una técnica para dar al rango un necesario recorte y establecieron unos parámetros más específicos para detectar un agujero negro primordial.
La pareja encontró en sus simulaciones que un agujero negro primordial de más de 1000 trillones (21 ceros) de gramos – aproximadamente la masa de un asteroide – produciría un efecto detectable en la superficie de una estrella.
“Ahora que sabemos que los agujeros negros primordiales pueden producir vibraciones perceptibles en las estrellas, podríamos tratar de observar una muestra más grande de estrellas aparte de nuestro propio Sol”, señala Kesden.
“La Vía Láctea tiene 100 000 millones de estrellas, por lo que debería haber alrededor de 10 000 eventos detectables cada año en nuestra galaxia, si supiéramos dónde buscar”.
Esta investigación fue financiada con becas de la NASA y la Beca Postdoctoral James Arthur de la Universidad de Nueva York.
vía Kanija
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