Se descarta a los agujeros negros como materia oscura perdida del universo

Una supernova (punto brillante en la parte inferior izquierda) y su galaxia anfitriona (parte superior central), tal como aparecerían si la lente gravitacional fuera un agujero negro intermedio (centro). El campo gravitatorio del agujero negro distorsiona y magnifica la imagen y hace que tanto la galaxia como la supernova brillen más. Las supernovas magnificadas gravitacionalmente ocurrirían con bastante frecuencia si los agujeros negros fueran la forma dominante de la materia en el universo. La falta de tales hallazgos se puede usar para establecer límites en la masa y la abundancia de los agujeros negros. Crédito de la imagen: Miguel Zumalacárregui.

Durante un breve momento brillante después de la detección de ondas gravitacionales de los agujeros negros en colisión, los astrónomos mantuvieron la esperanza de que la misteriosa materia oscura del universo pudiera consistir en una plenitud de agujeros negros esparcidos por todo el universo. 

Los físicos de UC Berkeley han echado a perder esas esperanzas. 

Basado en un análisis estadístico de 740 de las supernovas más brillantes descubiertas a partir de 2014, y el hecho de que ninguno de ellos parece estar magnificado o iluminado por "lentes gravitacionales" de agujeros negros ocultos, los investigadores concluyeron que los agujeros negros primordiales no pueden compensar en más que alrededor del 40 por ciento de la materia oscura en el universo. Los agujeros negros primordiales solo podrían haber sido creados dentro de los primeros milisegundos del Big Bang como regiones del universo con una masa concentrada decenas o cientos de veces que la del sol se colapsadas en objetos de cien kilómetros de ancho. 

Los resultados sugieren que ninguna de las materias oscuras del universo consiste en agujeros negros gruesos, o cualquier objeto similar, incluidos los objetos de halo compactos masivos, llamados MACHOs. 

La materia oscura es uno de los enigmas más embarazosos de la astronomía: a pesar de que comprende el 84,5 por ciento de la materia en el universo, nadie puede encontrarla. Los candidatos propuestos para la materia oscura abarcan casi 90 órdenes de magnitud en masa, desde partículas ultraligeras como axiones hasta los llamados MACHO. 

Varios teóricos han propuesto escenarios en los que hay múltiples tipos de materia oscura. Pero si la materia oscura consta de varios componentes no relacionados, cada uno requeriría una explicación diferente para su origen, lo que hace que los modelos sean muy complejos. 

“Puedo imaginar que son dos tipos de agujeros negros, muy pesados ​​y muy ligeros, o agujeros negros y partículas nuevas. Pero en ese caso, uno de los componentes es órdenes de magnitud más pesados ​​que el otro, y deben producirse en abundancia comparable. Pasaríamos de algo astrofísico a algo realmente microscópico, quizás incluso lo más ligero del universo, y eso sería muy difícil de explicar ", dijo el autor principal Miguel Zumalacárregui, un miembro de Marie Curie Global en Berkeley Center for Cosmological Center de Física. 

Un nuevo análisis aún no publicado por el mismo equipo que utiliza una lista actualizada de 1.048 supernovas reduce el límite a la mitad, a un máximo de aproximadamente el 23 por ciento, y cierra aún más la puerta a la propuesta de agujero negro de materia oscura. 

"Estamos de vuelta a las discusiones estándar. ¿Qué es la materia oscura? De hecho, nos estamos quedando sin buenas opciones ", dijo Uroš Seljak, profesor de física y astronomía de la UC Berkeley y codirector de BCCP. "Este es un reto para las generaciones futuras". 

El análisis se detalla en un artículo publicado en la revista Physical Review Letters . 

Lente oscura de la materia 

Sus conclusiones se basan en el hecho de que una población invisible de agujeros negros primordiales, o cualquier objeto compacto masivo, doblaría y magnificaría gravitacionalmente la luz de objetos distantes en su camino hacia la Tierra. Por lo tanto, las lentes gravitacionales deben afectar la luz de las supernovas distantes Tipo Ia. Estas son las estrellas en explosión que los científicos han utilizado como fuentes de brillo estándar para medir distancias cósmicas y documentar la expansión del universo. 

Explosión en supernova de una estrella masiva parece más brillante para un observador en la Tierra si un agujero negro se encuentra entre la explosión y el observador. La gravedad del agujero negro distorsiona el camino de la luz emitida por la supernova, actuando como una lente que magnifica la luz. Crédito de la imagen: APS / Carin Cain.

Zumalacárregui realizó un complejo análisis estadístico de los datos de las supernovas de brillo y distancia catalogados en dos compilaciones: 580 en la Unión y 740 en los catálogos de análisis de la curva de luz conjunta (JLA), y concluyó que ocho deberían ser más brillantes en unas pocas décimas de porcentaje de lo previsto según las observaciones de cómo estas supernovas brillan y se desvanecen con el tiempo. No se ha detectado tal brillo. Otros investigadores han realizado análisis similares, pero más simples que arrojaron resultados no concluyentes. 

Pero Zumalacárregui incorporó la probabilidad precisa de ver todos los aumentos, desde pequeños a enormes, así como las incertidumbres en el brillo y la distancia de cada supernova. Incluso para los agujeros negros de baja masa, ese 1 por ciento de la masa del sol, debería haber algunas supernovas distantes muy magnificadas, dijo, pero no hay ninguna. 

"No puedes ver este efecto en una supernova, pero cuando los pones todos juntos y haces un análisis bayesiano completo, empiezas a poner fuertes restricciones en la materia oscura, porque cada supernova cuenta y tienes muchos de ellos", dijo Zumalacárregui. Cuantas más supernovas se incluyan en el análisis y cuanto más lejos estén, más estrictas serán las restricciones. Los datos sobre 1.048 supernovas brillantes del catálogo del Panteón proporcionaron un límite superior aún más bajo (23 por ciento) que el análisis publicado recientemente. 

Seljak publicó un artículo que proponía este tipo de análisis a fines de la década de 1990, pero cuando el interés pasó de buscar objetos grandes, los MACHO, a buscar partículas fundamentales, en particular partículas masivas que interactúan débilmente, o WIMP, los planes de seguimiento quedaron a un lado. Para entonces, muchos experimentos habían excluido la mayoría de las masas y tipos de MACHO, dejando pocas esperanzas de descubrir tales objetos. 

También en ese momento, solo se había descubierto una pequeña cantidad de supernovas Tipo Ia distantes y se habían medido sus distancias. 

Solo después de que las observaciones de LIGO volvieran a plantear el problema, Seljak y Zumalacárregui se embarcaron en el complicado análisis para determinar los límites de la materia oscura. 

"Lo que fue intrigante es que las masas de los agujeros negros en el evento LIGO estaban justo donde los agujeros negros aún no se habían excluido como materia oscura", dijo Seljak. “Esa fue una coincidencia interesante que emocionó a todos. Pero fue una coincidencia ". 

Fuente: UC Berkeley