¿Están los agujeros negros hechos de energía oscura?

Powehi, el objeto compacto supermasivo recientemente fotografiado en el centro de la galaxia M87. Crédito: colaboración EHT; NASA / CXC / Villanova University.

Dos investigadores de la Universidad de Hawaii en Manoa han identificado y corregido un error sutil que se cometió al aplicar las ecuaciones de Einstein para modelar el crecimiento del universo. 

Los físicos suelen suponer que un sistema cosmológicamente grande, como el universo, es insensible a los detalles de los pequeños sistemas contenidos en él. Kevin Croker, investigador postdoctoral en el Departamento de Física y Astronomía, y Joel Weiner, miembro de la facultad en el Departamento de Matemáticas, han demostrado que esta suposición puede fallar para los objetos compactos que quedan después del colapso y la explosión de estrellas muy grandes. 

"Durante 80 años, generalmente hemos operado bajo el supuesto de que el universo, a grandes rasgos, no se vio afectado por los detalles particulares de ninguna región pequeña", dijo Croker. "Ahora está claro que la relatividad general puede conectar de manera observable estrellas colapsadas, regiones del tamaño de Honolulu, con el comportamiento del universo en su conjunto, más de mil millones de billones de veces más grande". 

Croker y Weiner demostraron que la tasa de crecimiento del universo puede volverse sensible a la contribución promedio de tales objetos compactos. Del mismo modo, los objetos mismos pueden vincularse al crecimiento del universo, ganando o perdiendo energía dependiendo de las composiciones de los objetos. Este resultado es significativo ya que revela conexiones inesperadas entre la física de objetos cosmológica y compacta, lo que a su vez conduce a muchas nuevas predicciones de observación. 

Una consecuencia de este estudio es que la tasa de crecimiento del universo proporciona información sobre lo que les sucede a las estrellas al final de sus vidas. Los astrónomos suelen suponer que las estrellas grandes forman agujeros negros cuando mueren, pero este no es el único resultado posible. En 1966, Erast Gliner, un joven físico en el Instituto Técnico-Técnico Ioffe en Leningrado, propuso una hipótesis alternativa de que las estrellas muy grandes deberían colapsar en lo que ahora podrían llamarse Objetos Genéricos de Energía Oscura (GEODEs). Estos parecen ser agujeros negros cuando se ven desde el exterior, pero, a diferencia de los agujeros negros, contienen energía oscura en lugar de una singularidad. 

Los objetos como Powehi, el objeto compacto supermasivo recientemente fotografiado en el centro de la galaxia M87, en realidad podrían ser GEODE. Los GEODE Powehi, mostrados a escala, serían aproximadamente 2/3 del radio de la región oscura fotografiada por el Event Horizon Telescope. Esto es casi del mismo tamaño esperado para un agujero negro. La región que contiene Energía Oscura (verde) es ligeramente más grande que un agujero negro de la misma masa. Las propiedades de cualquier corteza (púrpura), si está presente, dependen del modelo GEODE particular. (Crédito de la foto: colaboración EHT; NASA / CXC / Villanova University).

En 1998, dos equipos independientes de astrónomos descubrieron que la expansión del Universo se está acelerando, de manera consistente con la presencia de una contribución uniforme de Energía Oscura. Sin embargo, no se reconoció que los GEODE pudieran contribuir de esta manera. Con el formalismo corregido, Croker y Weiner demostraron que, si una fracción de las estrellas más antiguas colapsó en GEODEs, en lugar de agujeros negros, su contribución promedio de hoy produciría naturalmente la energía oscura uniforme requerida. 

Los resultados de este estudio también se aplican a los sistemas de doble estrella en colisión observables a través de ondas gravitacionales por la colaboración LIGO-Virgo. En 2016, LIGO anunció la primera observación de lo que parecía ser un sistema de doble agujero negro en colisión. Se esperaba que tales sistemas existieran, pero el par de objetos era inesperadamente pesado, aproximadamente 5 veces más grande que las masas de agujeros negros predichas en las simulaciones por computadora. Utilizando el formalismo corregido, Croker y Weiner consideraron si LIGO-Virgo está observando colisiones de GEODE dobles, en lugar de colisiones de agujeros negros dobles. Descubrieron que los GEODE crecen junto con el universo durante el tiempo previo a tales colisiones. Cuando ocurren las colisiones, las masas GEODE resultantes se vuelven 4 a 8 veces más grandes, de acuerdo con las observaciones de LIGO-Virgo. 

Croker y Weiner tuvieron cuidado de separar su resultado teórico del soporte de observación de un escenario GEODE, enfatizando que "los agujeros negros ciertamente no están muertos. Lo que hemos demostrado es que, si los GEODEs existen, pueden dar lugar fácilmente a fenómenos observados que actualmente carecen de explicaciones convincentes. Anticipamos muchas otras consecuencias observacionales de un escenario GEODE, incluidas muchas formas de excluirlo. Apenas hemos comenzado a arañar la superficie ". 

Más información: K. S. Croker et al. Implicaciones de la simetría y la presión en la cosmología de Friedmann. I. Formalismo, The Astrophysical Journal (2019). DOI: 10.3847/1538-4357/ab32da

Fuente: Universidad de Hawaii en Manoa,