Toda la materia oscura del universo pueden ser agujeros negros primordiales, formados a partir del colapso de los universos de los niños poco después del Big Bang.

El Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU) alberga varios proyectos interdisciplinarios que aprovechan la sinergia de la amplia gama de conocimientos especializados disponibles en el instituto. Uno de estos proyectos es el estudio de los agujeros negros que podrían haberse formado en el universo temprano, antes del nacimiento de estrellas y galaxias.

Estos agujeros negros primordiales (PBH) pueden representar la totalidad o parte de la materia oscura y son responsables de algunos de los elementos observados. Ondas gravitacionales Las señales y las semillas de los agujeros negros supermasivos en el centro de nuestra galaxia y otras galaxias. También puede desempeñar un papel en la síntesis de elementos pesados ​​cuando chocan con estrellas de neutrones y las destruyen, liberando así una sustancia rica en neutrones.

En particular, existe una posibilidad emocionante de que la misteriosa materia oscura, que representa la mayor parte de la materia del universo, estuviera formada por agujeros negros primordiales. El Premio Nobel de Física 2020 fue otorgado al teórico Roger Penrose y a dos astrónomos, Reinhard Gensel y Andrea Gies, por sus descubrimientos que confirmaron la existencia de agujeros negros. Debido a que los agujeros negros existen en la naturaleza, ofrecen un filtro de materia oscura muy atractivo.

Un equipo internacional de físicos de partículas, cosmólogos y astrónomos, incluidos los miembros de Kavli IPMU, Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada y Volodymyr Takestov han realizado avances recientes en teoría fundamental, astrofísica y observaciones astronómicas en la búsqueda de agujeros en la superficie.

Para aprender más sobre los agujeros negros primordiales, el equipo de investigación examinó el universo temprano en busca de pistas. El universo primitivo era tan denso que cualquier fluctuación positiva en la densidad de más del 50 por ciento crearía una Calabozo. Sin embargo, se sabe que las perturbaciones cósmicas en las galaxias clasificadas son mucho más pequeñas. Sin embargo, varios procesos en el universo temprano podrían haber creado las condiciones para que se formaran los agujeros negros.

La Hyper Suprime-Cam (HSC) es una cámara digital gigante en el Telescopio Subaru. Crédito: Proyecto HSC / NAOJ

Una posibilidad interesante es que los agujeros negros primordiales podrían formarse a partir de «pequeños universos» que surgieron durante la inflación, un período de rápida expansión que se cree que es responsable de implantar las estructuras que observamos hoy, como las galaxias y los cúmulos de galaxias. Durante la inflación, los universos de los niños pueden expandirse desde nuestro universo. El pequeño universo (o hija) eventualmente colapsará, pero la gran cantidad de energía liberada en el diminuto tamaño hace que se forme un agujero negro.

Un destino aún más extraño aguarda siendo un niño mayor. Si es mayor que un tamaño crítico, la teoría de la gravedad de Einstein permite que el universo infantil exista en un estado que parece diferente al observador desde adentro y desde afuera. Un observador interno lo ve como un universo en expansión, mientras que un observador externo (como nosotros) lo ve como un agujero negro. De cualquier manera, vemos los universos grandes y pequeños como agujeros negros primitivos, que esconden la estructura básica de múltiples universos detrás de «horizontes de eventos». El horizonte de sucesos es el límite por debajo del cual todo, incluso la luz, está atrapado y no puede escapar de un agujero negro.

La estrella de Andrómeda se vuelve temporalmente más brillante si un agujero negro primordial pasa frente a la estrella, enfocando su luz de acuerdo con la teoría de la gravedad. Crédito: Colaboración Kavli IPMU / HSC

En su artículo, el equipo describió un nuevo escenario para la formación de PBH y mostró que los agujeros negros del escenario del «multiverso» se podían encontrar usando el Hyper Suprime-Cam (HSC) del Telescopio Subaru de 8.2 metros, una cámara digital gigantesca, la gestión en la que Kavli jugó IPMU. Un papel importante – cerca de la cima de una montaña de 4200 metros. Mauna Kea en Hawaii. Su trabajo es una extensión interesante de la investigación de HSC sobre PBH que está llevando a cabo Masahiro Takada, investigador principal de Kavli IPMU, y su equipo. El equipo de HSC informó recientemente una limitación importante en la presencia de PBH en Niikura, Takada et. Los. Astronomía natural 3, 524-534 (2019)

¿Por qué el HSC fue indispensable en esta investigación? HSC tiene la capacidad única de fotografiar toda la galaxia de Andrómeda cada pocos minutos. Si un agujero negro pasa a través de la línea de visión hacia una estrella, la gravedad del agujero negro dobla los rayos de luz y hace que la estrella parezca más brillante que antes durante un corto período de tiempo. La duración del brillo de la estrella les dice a los astrónomos sobre la masa del agujero negro. A través de las observaciones de HSC, uno puede observar simultáneamente cien millones de estrellas, proyectando una amplia red de agujeros negros primordiales que podrían cruzar una línea de visión.

Las primeras observaciones de HSC ya han informado de un evento de filtro muy interesante correspondiente al PBH del «multiverso», con un agujero negro similar a la masa de la luna. Animado por este primer signo y guiado por una nueva comprensión teórica, el equipo está llevando a cabo una nueva ronda de observaciones para ampliar la investigación y proporcionar una prueba final de si los agujeros negros en el escenario del multiverso pueden explicar toda la materia oscura.

Referencia: «Explorando los agujeros negros primordiales del multiverso usando telescopios ópticos» por Alexander Kusenko, Mizao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada, Volodymyr Takeistov y Eduardo Vitaliano, 30 de octubre de 2020 Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.181304