Por cada kilogramo de materia que podemos ver (desde la computadora de su escritorio hasta las estrellas y galaxias distantes), hay 5 kilogramos de materia invisible que llenan nuestro entorno. Esta “materia oscura” es una entidad misteriosa que elude toda forma de observación directa, pero hace sentir su presencia a través de su atracción invisible sobre los objetos visibles.
Hace cincuenta años, el físico Stephen Hawking ofreció una idea de lo que podría ser la materia oscura: una población de agujeros negros que podrían haberse formado muy poco después del Big Bang. Semejante Agujeros negros “primordiales”. No habrían sido los goliats que detectamos hoy, sino regiones microscópicas de materia ultradensa que se habrían formado en la primera quintillón de segundo después del Big Bang y luego colapsarían y se dispersarían por el cosmos, arrastrando el espacio-tiempo en maneras. esto podría explicar la materia oscura que conocemos hoy.
Ahora, los físicos del MIT han descubierto que este proceso primordial también habría producido algunos compañeros inesperados: agujeros negros aún más pequeños con cantidades sin precedentes de una propiedad de la física nuclear conocida como “carga de color”.
Estos agujeros negros más pequeños y “sobrealimentados” habrían sido un estado de materia completamente nuevo, que probablemente se evaporaría una fracción de segundo después de su nacimiento. Sin embargo, todavía podrían haber afectado una transición cosmológica clave: el momento en que se forjaron los primeros núcleos atómicos. Los físicos postulan que los agujeros negros cargados de color pueden haber afectado el equilibrio de los núcleos fusionados, de una manera que los astrónomos podrán descubrir algún día con futuras mediciones. Una observación así señalaría de manera convincente que los agujeros negros primordiales son la raíz de toda la materia oscura actual.
“Aunque estas criaturas exóticas de corta vida ya no existen hoy en día, es posible que hayan influido en la historia cósmica de maneras que hoy pueden manifestarse en señales sutiles”, dice David Kaiser, profesor de Historia de la Ciencia en Germeshausen y profesor de física en el MIT. “Dentro de la idea de que toda la materia oscura puede ser atribuida a agujeros negros, nos ofrece nuevas cosas que buscar”.
Kaiser y su coautora, la estudiante graduada del MIT Elba Alonso-Monsalve, han publicó su estudio hoy en el diario Artículos de revisión física..
Un tiempo antes de las estrellas
Los agujeros negros que conocemos y detectamos hoy son producto del colapso estelar, cuando el centro de una estrella masiva colapsa sobre sí mismo para formar una región tan densa que puede doblar el espacio-tiempo de modo que todo, incluso la luz, queda atrapado en su interior. . Estos agujeros negros “astrofísicos” pueden tener desde unas pocas veces el tamaño del Sol hasta miles de millones de veces más grandes.
Los agujeros negros “primordiales”, por el contrario, pueden ser mucho más pequeños y se cree que se formaron antes que las estrellas. Antes de que el universo hubiera preparado los elementos básicos, y mucho menos las estrellas, los científicos creen que bolsas de materia primordial ultradensa podrían haberse acumulado y colapsado para formar agujeros negros microscópicos que podrían ser lo suficientemente densos como para exprimir la masa de un asteroide en una región como pequeño como un solo átomo. La atracción gravitacional de estos pequeños objetos invisibles esparcidos por todo el universo podría explicar toda la materia oscura que no podemos ver hoy.
Si es así, ¿de qué estarían hechos estos agujeros negros primordiales? Ésa es la pregunta que abordaron Kaiser y Alonso-Monsalve en su nuevo estudio.
“La gente ha estudiado cómo habría sido la distribución masiva de los agujeros negros durante esta producción temprana del universo, pero nunca lo relacionaron con qué tipo de cosas habrían caído en esos agujeros negros en el momento en que se estaban formando”. explica Kaiser.
Rinocerontes sobrealimentados
Los físicos del MIT examinaron por primera vez las teorías existentes sobre la posible distribución de las masas de los agujeros negros cuando se formaban por primera vez en el universo primitivo.
“Nos dimos cuenta de que existe una relación directa entre cuándo se forma un agujero negro primordial y con qué masa se forma”, dice Alonso-Monsalve. “Y esta ventana de tiempo es absurdamente temprana”.
Ella y Kaiser calcularon que los agujeros negros primordiales deben haberse formado dentro de la primera quintillónésima de segundo después del Big Bang. Este estallido de tiempo habría producido agujeros negros microscópicos “típicos” que eran tan masivos como un asteroide y tan pequeños como un átomo. También habría producido un puñado de agujeros negros exponencialmente más pequeños, con la masa de un rinoceronte y un tamaño mucho menor que el de un solo protón.
¿De qué estarían hechos estos primitivos agujeros negros? Para ello, recurrieron a estudios que exploraban la composición del universo primitivo y, en particular, a la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD), el estudio de cómo interactúan los quarks y los gluones.
Los quarks y los gluones son los componentes básicos de los protones y neutrones, las partículas elementales que se combinaron para crear los elementos básicos de la tabla periódica. Inmediatamente después del Big Bang, los físicos estiman, basándose en QCD, que el universo era un plasma extremadamente caliente de quarks y gluones que luego se enfrió rápidamente y se combinó para producir protones y neutrones.
Los investigadores descubrieron que, en la primera quintillónésima de segundo, el universo todavía habría sido una sopa de quarks y gluones sueltos que aún no se habían combinado. Cualquier agujero negro que se formara en ese momento habría tragado partículas sueltas, junto con una propiedad exótica conocida como “carga de color”, un estado de carga transportado sólo por quarks y gluones no combinados.
“Una vez que nos dimos cuenta de que estos agujeros negros se forman en un plasma de quarks y gluones, lo más importante que teníamos que averiguar era: ¿cuánta carga de color contiene la masa de materia que terminará en un agujero negro primordial? dice Alonso-Monsalve.
Utilizando la teoría QCD, calcularon la distribución de carga de color que debería existir en todo el plasma temprano y caliente. Luego lo compararon con el tamaño de una región que colapsará para formar un agujero negro en la primera quintillónésima de segundo. Resulta que no habría mucha carga de color en la mayoría de los agujeros negros típicos de esa época, ya que se habrían formado absorbiendo una gran cantidad de regiones que tenían una mezcla de cargas, que eventualmente se habrían sumado a un “neutro”. “. ” subido.
Pero los agujeros negros más pequeños estarían cargados de color. De hecho, habrían contenido la cantidad máxima de cualquier tipo de carga permitida para un agujero negro, según las leyes básicas de la física. Si bien durante décadas se han planteado hipótesis sobre agujeros negros “extremos”, hasta ahora nadie había descubierto un proceso realista mediante el cual tales maravillas pudieran haberse formado en nuestro universo.
El profesor Bernard Carr de la Universidad Queen Mary de Londres, un experto en el tema de los agujeros negros primordiales que trabajó por primera vez en el tema con Stephen Hawking, describió el nuevo trabajo como “emocionante”. Carr, que no participó en el estudio, dice que el trabajo “muestra que hay circunstancias en las que una pequeña fracción del universo temprano puede entrar en objetos con una gran cantidad de carga de color (al menos por un tiempo), exponencialmente mayor que lo que ha sido identificado en estudios previos de QCD”.
Los agujeros negros sobrealimentados se habrían evaporado rápidamente, pero quizás sólo después del momento en que comenzaron a formarse los primeros núcleos atómicos. Los científicos estiman que este proceso comenzó aproximadamente un segundo después del Big Bang, lo que habría dado a los agujeros negros supermasivos tiempo suficiente para alterar las condiciones de equilibrio que habrían prevalecido cuando los primeros núcleos comenzaron a formarse. Tales perturbaciones podrían afectar potencialmente la forma en que se formaron esos primeros núcleos, de maneras que algún día podrán observarse.
“Es posible que estos objetos hayan dejado interesantes huellas de observación”, opina Alonso-Monsalve. “Podrían haber cambiado el equilibrio entre esto y aquello, y ese es el tipo de cosas sobre las que uno empieza a preguntarse”.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por el Departamento de Energía de EE. UU. Alonso-Monsalve también cuenta con el apoyo de una beca del Departamento de Física del MIT.
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