Agujero negro primordial

Un agujero negro primordial es un tipo hipotético de agujero negro que no se formó debido al colapso gravitatorio de una estrella sino a la extrema densidad del universo al inicio de su expansión propuesta por los físicos Stephen Hawking y Bernard Carr en 1974.^[1]​ Durante casi cinco décadas, los agujeros negros primordiales han sido candidatos para ser la materia oscura.^[2]​^[3]​

De acuerdo al modelo estándar, durante los momentos que siguieron al Big Bang la presión y la temperatura del Universo fueron extremadamente elevadas. Bajo estas condiciones, simples fluctuaciones en la densidad de la materia podían originar regiones del espacio lo bastante densas como para generar agujeros negros. Aunque la mayor parte de las regiones densas serían dispersadas por la expansión del Universo, un agujero negro primordial sería estable, perdurando hasta la actualidad.

En realidad los agujeros negros primordiales o PBH (por sus siglas en inglés) no son estables, debido a que pueden evaporarse mediante radiación de Hawking. Este proceso de evaporación define la masa mínima que un PBH debe tener para sobrevivir hasta la actualidad. Además, la producción de rayos gamma debido a la evaporación de PBH es usado como un mecanismo para restringir la habilidad de PBH de ser la totalidad de la materia oscura. Actualmente, la mínima masa de un agujero negro primordial cuya población podría ser la totalidad de la materia oscura corresponde a ${\displaystyle 3.5\times 10^{-17}M_{\odot }}$, donde ${\displaystyle M_{\odot }}$es la masa solar.^[4]​

El 17 de diciembre de 2021 se publicó un estudio de Nico Cappelluti, Günther Hasinger y Priyamvada Natarajan que sugiere que el modelo del agujero negro primordial podría ayudar a explicar la radiación infrarroja en el universo. El lanzamiento del telescopio espacial James Webb podría ofrecer nuevas evidencias.^[5]​^[6]​

Agujeros negros primordiales como Materia oscura

Aproximadamente solo el 5 por ciento del Universo está formado de elementos, átomos, moléculas... que entendemos. El 95 por ciento restante es un misterio. De ese 95 por ciento, un 25 por ciento es materia oscura. Materia que no interacciona - de manera perceptible al menos - con el Universo excepto por medio de gravitación.^[7]​ De ahí el nombre, materia porque interacciona por medio de gravedad y oscura porque no parece ser activa en el espectro electromagnético (e.g.^[8]​).

Entre los candidatos para materia oscura, los agujeros negros primordiales son - en cierto sentido - los candidatos más convencionales puesto que no dependen de ninguna modificación al modelo estándar, i.e. no requieren la introducción de una nueva partícula elemental como los WIMPs. No obstante, los agujeros negros primordiales requieren de potenciales inflacionarios que se alejan de los modelos tradicionales en las escalas pequeñas (e.g.^[9]​).

El mayor atractivo de los PBH como materia oscura es que, como son objetos astrofísicos basados en agujeros negros, es más sencillo restringir el rango de masas en los que la población de PBH puede ser la totalidad de la materia oscura. Existen diversos mecanismos para restringir el rango de masas; no obstante, existe una "ventana" abierta que corresponde a masas de asteroides. De hecho los PBH pueden ser la totalidad de la materia oscura si sus masas pertenecen al rango ${\displaystyle 3.5\times 10^{-17}M_{\odot }}$ hasta ${\displaystyle 4.0\times 10^{-12}M_{\odot }}$.^[10]​

El rango mínimo está dado por la evaporación y el máximo por microlentes gravitacionales, en particular por la ausencia de eventos en las observaciones de Subaru Hyper Supreme-Cam (HSC).^[11]​

Referencias

1. Carr, B. J.; Hawking, S. W. (1 de agosto de 1974). «Black Holes in the Early Universe». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (en inglés) 168 (2): 399-415. ISSN 0035-8711. doi:10.1093/mnras/168.2.399. Consultado el 22 de enero de 2020. 
2. Carr, B. J. (1975-10). «The primordial black hole mass spectrum». The Astrophysical Journal (en inglés) 201: 1. ISSN 0004-637X. doi:10.1086/153853. Consultado el 22 de enero de 2020. 
3. Hawking, Stephen (1 de abril de 1971). «Gravitationally Collapsed Objects of Very Low Mass». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (en inglés) 152 (1): 75-78. ISSN 0035-8711. doi:10.1093/mnras/152.1.75. Consultado el 22 de enero de 2020. 
4. Carr, B. J.; Kohri, Kazunori; Sendouda, Yuuiti; Yokoyama, Jun’ichi (10 de mayo de 2010). «New cosmological constraints on primordial black holes». Physical Review D (en inglés) 81 (10): 104019. ISSN 1550-7998. doi:10.1103/PhysRevD.81.104019. Consultado el 22 de enero de 2020. 
5. Cappelluti, Nico; Hasinger, Günther; Natarajan, Priyamvada (17 de septiembre de 2021). «Exploring the high-redshift PBH-$\Lambda$CDM Universe: early black hole seeding, the first stars and cosmic radiation backgrounds». arXiv:2109.08701 [astro-ph]. Consultado el 20 de diciembre de 2021. 
6. «Nuevo estudio podría confirmar una predicción hecha por Stephen Hawking sobre el papel de los agujeros negros en el origen del universo». RT en Español. Consultado el 20 de diciembre de 2021. 
7. Planck Collaboration; Ade, P. A. R.; Aghanim, N.; Arnaud, M.; Ashdown, M.; Aumont, J.; Baccigalupi, C.; Banday, A. J. et al. (2016-10). «Planck 2015 results: XIII. Cosmological parameters». Astronomy & Astrophysics 594: A13. ISSN 0004-6361. doi:10.1051/0004-6361/201525830. Consultado el 22 de enero de 2020.  Se sugiere usar |número-autores= (ayuda)
8. Montero Camacho, Paulo (2019). Searching the Cosmos: Ripples from Avant-Garde Cosmological Probes (en inglés). The Ohio State University. Consultado el 22 de enero de 2020. 
9. Carr, B. J. (26 de noviembre de 2005). Primordial Black Holes: Do They Exist and Are They Useful?. OCLC 691209087. Consultado el 22 de enero de 2020. 
10. Montero-Camacho, Paulo; Fang, Xiao; Vasquez, Gabriel; Silva, Makana; Hirata, Christopher M. (23 de agosto de 2019). «Revisiting constraints on asteroid-mass primordial black holes as dark matter candidates». Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2019 (08): 031-031. ISSN 1475-7516. doi:10.1088/1475-7516/2019/08/031. Consultado el 22 de enero de 2020. 
11. Niikura, Hiroko; Takada, Masahiro; Yasuda, Naoki; Lupton, Robert H.; Sumi, Takahiro; More, Surhud; Kurita, Toshiki; Sugiyama, Sunao et al. (1 de abril de 2019). «Microlensing constraints on primordial black holes with Subaru/HSC Andromeda observations». Nature Astronomy 3 (6): 524-534. ISSN 2397-3366. doi:10.1038/s41550-019-0723-1. Consultado el 22 de enero de 2020.  Se sugiere usar |número-autores= (ayuda)