¿Podría ser la materia oscura, en realidad, agujeros negros?

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Si miras al espacio exterior, al universo en su totalidad, observarás las estrellas, las galaxias, los planetas y, entre ellos, nuestro mundo, y los seres vivos entre los que estamos nosotros. Si alguien te dijera que todo lo que ves ni siquiera supone un 5% del contenido total del universo, quizás te resulte difícil de creer. No obstante, es así.

Se calcula que la materia ordinaria compone alrededor de un 4.6% del universo. Por otro lado, alrededor del 24% está compuesto por la materia oscura, y el restante 71.4% lo conforma la energía oscura. Estas últimas dos denominaciones tan parcas muestran, en realidad, lo poco que se sabe tanto de la materia oscura como de la energía oscura.

¿Qué es la materia oscura?

(Imagen ampliable) Composición del universo

La materia oscura ni emite ni absorbe radiación electromagnética, es decir, ni emite ningún tipo de luz visible, microondas, rayos X, rayos gamma, etc., ni la absorbe. Si lo hiciera, podríamos conocer mucho más acerca de ella, ya que cada tipo de molécula reflejaría la luz de una manera diferente, e interactuaría con cada uno de los tipos de onda de forma única, revelando así algunas de sus propiedades físicas.

Es decir, la materia oscura es invisible. ¿Cómo sabemos, pues, que existe?

Su existencia se deduce a partir de sus efectos gravitacionales sobre la materia que afectan el movimiento de esta, o bien la distorsionan a través de lo que se conoce como la lente gravitacional (la curvatura de un haz de luz al pasar cerca de un cuerpo), o a través de su influencia sobre la estructura a gran escala del universo (formando filamentos intergalácticos), o por sus efectos en la radiación de fondo de microondas. O sea, no se puede observar directamente, pero se pueden observar la multitud de efectos que produce sobre la materia con la que interactúa.

A modo de nota, la energía oscura tiene un efecto contrario a la gravedad, y es la causante de que el universo actual se encuentre en expansión.

¿Cómo se puede observar un agujero negro?

(Imagen ampliable) Vista simulada de un agujero negro (centro). Se puede apreciar el efecto de la lente gravitacional, que produce dos vistas altamente distorsionadas del objeto que se esconde detrás del agujero negro. Imagen: Imagen: Alain , (CC BY-SA 2.5)

Para tratar de explicar qué es un agujero negro de la manera más simplificada posible, imaginemos una estrella cualquiera. La estrella contiene gases que se encuentran en reacción formando, gracias a la fusión, nuevos gases. La fusión genera una temperatura altísima que hace que las moléculas en su interior se encuentren excitadas, lo que hace que ejerzan presión “hacia afuera”, contrarrestando la presión que la propia gravedad hace “hacia adentro”.

Durante un tiempo (millones de años) la estrella se mantiene en equilibrio, pero llega un punto en que el combustible se agota. Esto provoca que el interior de la estrella sea incapaz de alcanzar temperaturas tan altas. Al bajar las temperaturas las moléculas de su interior ya no se excitan tanto, y llega un punto en que no pueden contrarrestar la propia fuerza de la gravedad. Se produce lo que se conoce como un “colapso gravitatorio”, que si es lo suficientemente grande puede hacer que la gravedad gane la batalla y, sin nada que la detenga, comprima la materia de manera infinita.

Como la gravedad ha ganado la batalla, un agujero negro no emite luz, ya que es absorbida. Por lo tanto, son invisibles para nosotros. Pero, ¿cómo sabemos entonces que existen?

Su presencia se deriva del efecto que causa en otra materia y en la radiación electromagnética. Su gravedad puede provocar que existan objetos que los orbiten, y también distorsiona la luz que pasa cerca de ellos.

¿Suena la historia conocida?

Hemos empezado hablado de dos temas totalmente diferentes, materia oscura y agujeros negros, pero hemos terminado hablando de ambos exactamente de la misma manera. El efecto que provocan en la materia circundante nos ayuda a estudiar fenómenos astronómicos que, de otro modo, nos resultarían totalmente invisibles.

¿Cabría la posibilidad, entonces, y por ridícula que parezca, que ese 24% de eso de lo que está hecho el universo y que nos resulta invisible, sean en realidad agujeros negros?

Ondas gravitacionales

Según un estudio realizado por científicos de John Hopkins y publicado en el Physical Review Letters, parece que los indicios apuntan a que podría ser plausible que la materia oscura sea, en realidad, agujeros negros. Para ello se han basado en los datos obtenidos por el observatorio LIGO de ondas gravitacionales. Explicamos en ¡QFC! de manera clara qué son las ondas gravitacionales en este artículo.

Cuando dicho observatorio astronómico de Estados Unidos detectó un susurro de dos agujeros negros colisionando en el espacio profundo, los científicos celebraron el éxito de su esfuerzo para confirmar la existencia de las ondas gravitacionales predichas por Albert Einstein. Un equipo de astrofísicos de la Universidad Johns Hopkins, por su lado, se preguntó otra cosa: ¿Había encontrado el experimento la “materia oscura” que compone la mayor parte de la masa del universo?

“Consideramos la posibilidad de que el agujero negro binario detectado por LIGO [y del que ¡QFC! publicó este vídeo que te recomendamos que veas] pueda ser una firma de la materia oscura”, escribieron los científicos en su resumen. Lo que sigue son cinco páginas de ecuaciones matemáticas con anotaciones mostrando cómo los investigadores partieron de la masa de los dos objetos detectados por LIGO, y cómo sugerían que estos objetos podrían ser parte de la misteriosa sustancia conocida que forma aproximadamente el 84 por ciento de la masa del universo (como hemos explicado, se calcula que el universo está compuesto en un 71.4% por energía oscura y el restante 28.6% por materia. Esta materia se divide en un 84% en materia oscura y el restante 16% en materia visible, que son los átomos).

Simulación de cómo se forman las ondas gravitacionales. Imagen: Uni-Jena.DE

El equipo de Johns Hopkins, dirigido por el estudiante postdoctoral Simeon Bird, quedó sorprendido por la masa de los agujeros negros detectados por LIGO. La masa de los agujeros negros se mide en múltiplos de nuestro sol. Los objetos en colisión que generaron la onda gravitatoria detectada por LIGO fue de entre 36 y 29 masas solares. Resulta que son demasiado grandes como para satisfacer las predicciones existentes del tamaño de la mayoría de los agujeros negros. Aún más extraño, también son demasiado pequeños como para satisfacer las predicciones del tamaño de los agujeros negros supermasivos que se cree que existen en el centro de las galaxias.

Los dos objetos detectados por LIGO, sin embargo, se ajustan al rango esperado de masa de los agujeros negros “primordiales”.

Se cree que los agujeros negros primordiales se formaron no del colapso de estrellas, como hemos apuntado anteriormente, sino del colapso de grandes extensiones de gas durante el nacimiento del universo. Si bien su existencia no se ha demostrado con certeza, los agujeros negros primordiales ya se llegaron a sugerir en el pasado como una posible solución al misterio de la materia oscura. No obstante, debido a la falta de pruebas de su existencia, la hipótesis de la dualidad de los agujeros negros primordiales y la materia oscura no ha ganado un gran número de seguidores entre los científicos.

Los hallazgos de LIGO, sin embargo, vuelven a plantear la posibilidad, sobre todo porque los objetos detectados en el experimento se ajustan a la masa predicha de la materia oscura. Las predicciones hechas por científicos en el pasado mostraron cómo las condiciones existentes durante el nacimiento del universo producirían una gran cantidad de estos agujeros negros primordiales distribuidos más o menos de manera uniforme en el universo, agrupándose en halos alrededor de galaxias. Todo esto les haría buenos candidatos para ser materia oscura.

El equipo de Johns Hopkins calculó la frecuencia con la que estos agujeros negros primordiales formarían pares binarios, y eventualmente colisionarían. Teniendo en cuenta el tamaño y la forma alargada que se cree caracterizan las órbitas binarias de los agujeros negros primordiales, el equipo calculó una tasa de colisiones que se ajusta a los hallazgos de LIGO.

Se necesitarán más observaciones de LIGO y otro tipo de evidencias para apoyar esta hipótesis, incluyendo nuevas detecciones como la anunciada en febrero. Esto podría sugerir una mayor abundancia de objetos con esa masa.

“Si tienes una gran cantidad de eventos con una masa de 30 soles, te están pidiendo a gritos una explicación”, dijo Ely D. Kovetz, coautor del artículo y estudiante postdoctoral de física y astronomía. “Que el descubrimiento de las ondas gravitacionales pueda estar relacionado con la materia oscura” está llenando de entusiasmo a los astrofísicos, añadió.

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2017-02-13T20:04:34+00:00