Telescopio romano busca agujeros negros primordiales

NASANancy Gracia telescopio espacial romano Puede revelar agujeros negros de «peso pluma» no detectados previamente y que tienen masas similares a las de la Tierra. Estos agujeros negros primordiales, que se formaron al comienzo del universo, podrían afectar en gran medida nuestra comprensión de la astronomía y la física de partículas, y podrían explicar parte de la materia oscura del universo.

Los astrónomos han descubierto agujeros negros con masas que van desde unas pocas veces la masa del Sol hasta decenas de miles de millones. Ahora, un grupo de científicos ha predicho que el telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA podrá encontrar una clase de agujeros negros «de peso pluma» que ha eludido la detección hasta ahora.

Hoy en día, los agujeros negros se forman cuando una estrella masiva colapsa o cuando se fusionan objetos masivos. Sin embargo, los científicos sospechan que los agujeros negros «primordiales» más pequeños, incluidos algunos con masas similares a la de la Tierra, podrían haberse formado en los primeros momentos caóticos del universo temprano.

«El descubrimiento de una población de agujeros negros primordiales con masa terrestre sería un paso sorprendente tanto para la astronomía como para la física de partículas porque estos objetos no podrían haberse formado mediante ningún proceso físico conocido», dijo William DiRocco, investigador postdoctoral en la UC Santa Fe. Cruz quien dirigió un estudio sobre cómo los detectaban los romanos. Un artículo que describe los resultados. Fue publicado en la revista. Revisión física d. «Si los encontramos, revolucionará el campo de la física teórica».

El descubrimiento de agujeros negros primordiales con masa terrestre utilizando el telescopio espacial romano de la NASA podría cambiar nuestra comprensión del universo y la materia oscura. Fuente: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA

Receta del agujero negro primordial

Los agujeros negros más pequeños que se forman hoy nacen cuando una estrella masiva se queda sin combustible. Su presión hacia afuera disminuye a medida que disminuye la fusión nuclear, por lo que la atracción gravitacional hacia adentro gana el tira y afloja. La estrella se está contrayendo y puede volverse tan densa que se vuelva… Agujero negro.

Pero se requiere una masa mínima: al menos ocho veces la masa de nuestro Sol. Las estrellas más claras se convertirán en enanas blancas o estrellas de neutrones.

Sin embargo, las condiciones en el universo primitivo pueden haber permitido que se formaran agujeros negros mucho más ligeros. Una persona que pesara la masa de la Tierra tendría un horizonte de sucesos (el punto sin retorno para los objetos que caen) que es aproximadamente del ancho de una moneda de diez centavos de Estados Unidos.

Así como nació el universo, los científicos creen que pasó por una fase corta pero intensa conocida como inflación, cuando el espacio se expandió más rápido que la velocidad de la luz. En estas condiciones especiales, las regiones que eran más densas que las circundantes podrían haber colapsado para formar agujeros negros primordiales de baja masa.

Si bien la teoría predice que los más pequeños tendrían que evaporarse antes de que el universo alcanzara su edad actual, aquellos con masas similares a la de la Tierra habrían sobrevivido.

El descubrimiento de estos pequeños objetos tendrá un enorme impacto en la física y la astronomía.

«Esto afectará todo, desde la formación de galaxias hasta el contenido de materia oscura del universo y la historia cósmica», dijo Kailash Sahu, astrónomo del Instituto Científico del Telescopio Espacial en Baltimore, que no participó en el estudio. «Confirmar sus identidades será un trabajo duro y los astrónomos necesitarán mucho convencimiento, pero valdrá la pena».

Stephen Hawking planteó la hipótesis de que los agujeros negros podrían reducirse lentamente a medida que se escapa la radiación. La lenta fuga de lo que ahora se conoce como radiación de Hawking hará, con el tiempo, que el agujero negro simplemente se evapore. Esta infografía muestra las vidas estimadas y los horizontes de sucesos (el punto más allá del cual los objetos que caen ya no pueden escapar del control gravitacional de un agujero negro) y los diámetros de los agujeros negros de diferentes masas pequeñas. Fuente: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA

Consejos de propietarios ocultos

Las observaciones ya han revelado evidencia de que tales objetos pueden estar al acecho en nuestra galaxia. Los agujeros negros primordiales pueden ser invisibles, pero las arrugas en el espacio-tiempo han ayudado a atrapar a algunos sospechosos potenciales.

La microlente es un efecto de observación causado por la presencia de masa que distorsiona el tejido del espacio-tiempo, como la huella dejada por una bola de bolos cuando se coloca en un trampolín. Cada vez que, desde nuestra perspectiva, un objeto parece estar acercándose a una estrella de fondo, la luz de la estrella debe atravesar el espacio-tiempo deformado alrededor del objeto. Si la alineación es particularmente cercana, el objeto puede actuar como una lente natural, enfocando y amplificando la luz de la estrella de fondo.

Grupos separados de astrónomos lo encontraron utilizando datos de MOA (Observaciones de microlentes en astrofísica), una colaboración que realiza observaciones de microlentes utilizando el Observatorio de la Universidad Mount John en Nueva Zelanda, y OGLE (Experimento de lentes gravitacionales ópticas). Una cantidad inesperadamente grande de objetos aislados de masa terrestre.

Las teorías sobre la formación y evolución planetaria predicen ciertas masas y abundancias de planetas rebeldes: mundos que deambulan por la galaxia sin ataduras a una estrella. Las observaciones de MOA y OGLE indican que hay más objetos con masa terrestre a la deriva a través de la galaxia de lo que predicen los modelos.

El concepto de este artista adopta un enfoque fantástico para imaginar pequeños agujeros negros primordiales. De hecho, agujeros negros tan pequeños tendrían dificultades para formar los discos de acreción que los hacen visibles aquí. Fuente: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA

«No hay manera de distinguir caso por caso entre agujeros negros con masa terrestre y planetas rebeldes», dijo DiRocco. Pero los científicos esperan que Roman encuentre varios objetos en este rango de masa diez veces mayores que los telescopios terrestres. «Roman sería muy poderoso a la hora de distinguir estadísticamente entre los dos».

DiRocco lideró los esfuerzos para determinar cuántos planetas rebeldes tendrían que haber en este rango de masa y cuántos agujeros negros primordiales podrían distinguir los romanos entre ellos.

Encontrar agujeros negros primordiales revelaría nueva información sobre el universo primitivo y sugeriría fuertemente que ya se había producido un período temprano de inflación. También podría explicar un pequeño porcentaje de la misteriosa materia oscura que, según los científicos, constituye la mayor parte de la masa del universo, pero que aún no han podido identificar.

«Este es un ejemplo interesante de algo que más científicos pueden hacer con los datos que Roman ya tendrá durante su búsqueda planetaria», dijo Sahu. «Los resultados son interesantes, ya sea que los científicos encuentren o no evidencia de agujeros negros con la masa de la Tierra. De cualquier manera, mejorarían nuestra comprensión del universo».

Referencia: “Detección de agujeros negros primordiales con masa terrestre utilizando el telescopio espacial romano Nancy Grace” por William DiRocco, Evan Frangipani, Nick Hammer, Stefano Profumo y Nolan Smith, 8 de enero de 2024, Revisión física d.
doi: 10.1103/PhysRevD.109.023013

El Telescopio Espacial Romano Nancy Grace se opera en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, con la participación del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, Caltech/IPAC en el sur de California, el Instituto Científico del Telescopio Espacial en Baltimore y un equipo científico que incluye científicos de alrededor del mundo. Institutos de investigación. Los principales socios industriales son BAE Systems, Inc. de Boulder, Colorado; L3Harris Technologies en Rochester, Nueva York; y Teledyne Scientific & Imaging en Thousand Oaks, California.