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, como se propone que suele ser habitual,[1]​ sino a la extrema densidad del universo al inicio de su expansión propuesta por los físicos Stephen Hawking y Bernard Carr, en 1974.[2]​[3]​ Durante casi cinco décadas, los agujeros negros primordiales han sido candidatos para ser la materia oscura,[4]​[5]​y todavía hoy se estudian como uno de los principales candidatos,[3]​como puede verse, entre otros candidatos se encuentran resumidos en la web de wikipedia para fluctuaciones primordiales, materia oscura, axión, dinámica newtoniana modificada y teoría del virial.

La existencia de agujeros negros primordiales, como tal, fue propuesta por primera vez por los físicos rusos Yakov Zeldovich e Igor Novikov, siendo su estudio y viabilidad basada en observaciones, realizado en profundidad unos años más tarde por los físicos teóricos británicos Stephen Hawking y Bernard Carr.[2]​[6]​

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, especialmente dada las reducidas regiones, que incluyen la propia nada[7]​(ver la nada o el concepto de nothingness,[8]​ y la espuma cuántica o quantum foam[9]​) y las amplitudes tan pequeñas de las fluctuaciones en las regiones.[3]​ Aunque la mayor parte de las regiones densas serían dispersadas por la expansión del universo, un agujero negro primordial sería estable, pudiendo perdurar hasta la actualidad.[10]​

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,[11]​y a un extremo formando puntos de Hawking, algo que al parecer ha sido confirmado por las observaciones (no sin cierta polémica y falta de un sigma suficiente para considerarse completamente probado).[12]​[13]​[14]​[15]​ Este proceso de evaporación define la masa mínima que un PBH debe tener para sobrevivir hasta la actualidad.[10]​[16]​ Además, la producción de rayos gamma debido a la evaporación de los PBH es usado como un mecanismo para restringir la capacidad y posibilidad de un 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 se estima que podría corresponder a , donde es la masa solar.[17]​

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.[18]​ El lanzamiento del telescopio espacial James Webb podría ofrecer nuevas evidencias.[18]​[19]​

Agujeros negros primordiales como Materia oscura

Aproximadamente solo el 5 % del Universo está formado de elementos, átomos, moléculas... que entendemos. El 95 % restante es un misterio. De ese 95 %, un 25 % es materia oscura. Materia que no interacciona - de manera perceptible al menos - con el Universo excepto por medio de gravitación.[20]​ De ahí el nombre, materia porque interacciona por medio de gravedad y oscura porque no parece ser activa en el espectro electromagnético (e.g.[21]​).

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.[22]​).

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 hasta .[3]​[23]​

El rango mínimo está dado por la evaporación y el máximo por micro-lentes gravitacionales, en particular por la ausencia de eventos en las observaciones de Subaru Hyper Supreme-Cam (HSC).[24]​

Diferencia entre colapso directo y formación (de PBH) por colapso energético[3]​[25]​ [26]​

Existe una cierta diferencia entre un colapso directo y la formación de un PBH debido a un colapso energético. Mientras que, por una parte, un colapso directo se debe al resultado del colapso de grandes regiones de gas inusualmente densas, en un período posterior al de la era de la radiación, un PBH se debería al resultado de un colapso (directo) de materia ionizada, energía, o ambas, durante la era de la radiación o la propia era inflacionaria, estando aún bajo estudio la cuestión del colapso "brusco" o lo opuesto, "smooth", algo que aún requiere investigación.[3]​[25]​

Referencias

  1. ↑ Soker, Noam (2024-12). «The Two Alternative Explosion Mechanisms of Core-Collapse Supernovae: 2024 Status Report». Universe (en inglés) 10 (12): 458. ISSN 2218-1997. doi:10.3390/universe10120458. Consultado el 30 de diciembre de 2024. 
  2. ↑ a b 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. 
  3. ↑ a b c d e f Harada, Tomohiro (2024-12). «Primordial Black Holes: Formation, Spin and Type II». Universe (en inglés) 10 (12): 444. ISSN 2218-1997. doi:10.3390/universe10120444. Consultado el 30 de diciembre de 2024. 
  4. ↑ 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. 
  5. ↑ 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. 
  6. ↑ Carr, B. J. (1 de octubre de 1975). «The primordial black hole mass spectrum.». The Astrophysical Journal 201: 1-19. ISSN 0004-637X. doi:10.1086/153853. Consultado el 31 de diciembre de 2024. 
  7. ↑ A Universe from Nothing (en inglés). 1 de enero de 2013. ISBN 978-1-4516-2446-5. Consultado el 30 de diciembre de 2024. 
  8. ↑ Bache, M. A. B. (2023). «Sobre los orígenes del universo: una comprobación meticulosa desde el punto de vista matemático en la 5ª dimensión». Psicología siglo XXI: una mirada amplia e integradora. Volumen 3, 2023, ISBN 978-84-1170-751-0, págs. 252-308 (Dykinson): 252-308. ISBN 978-84-1170-751-0. Consultado el 30 de diciembre de 2024. 
  9. ↑ Wheeler, John Archibald (1955). «Geons». Physical Review 97 (2): 511-536. doi:10.1103/PhysRev.97.511. Consultado el 30 de diciembre de 2024. 
  10. ↑ a b del Barco, Oscar (2021). «Primordial black hole origin for thermal gamma-ray bursts». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 506 (1): 806-812. ISSN 0035-8711. doi:10.1093/mnras/stab1747. Consultado el 30 de diciembre de 2024. 
  11. ↑ Hawking, S. W. (1974-03). «Black hole explosions?». Nature (en inglés) 248 (5443): 30-31. ISSN 1476-4687. doi:10.1038/248030a0. Consultado el 30 de diciembre de 2024. 
  12. ↑ Gurzadyan, V. G.; Penrose, R. (25 de febrero de 2013). «On CCC-predicted concentric low-variance circles in the CMB sky». The European Physical Journal Plus (en inglés) 128 (2): 22. ISSN 2190-5444. doi:10.1140/epjp/i2013-13022-4. Consultado el 30 de diciembre de 2024. 
  13. ↑ DeAbreu, Adam; Contreras, Dagoberto; Scott, Douglas (15 de diciembre de 2015). «Searching for concentric low variance circles in the cosmic microwave background». Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2015 (12): 031-031. ISSN 1475-7516. doi:10.1088/1475-7516/2015/12/031. Consultado el 30 de diciembre de 2024. 
  14. ↑ Bodnia, Eve; Isenbaev, Vlad; Colburn, Kellan; Swearngin, Joe; Bouwmeester, Dirk (1 de mayo de 2024). «The quest for CMB signatures of conformal cyclic cosmology». Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2024 (05): 009. ISSN 1475-7516. doi:10.1088/1475-7516/2024/05/009. Consultado el 30 de diciembre de 2024. 
  15. ↑ An, Daniel; Meissner, Krzysztof A; Nurowski, Paweł; Penrose, Roger (1 de julio de 2020). «Apparent evidence for Hawking points in the CMB Sky★». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 495 (3): 3403-3408. ISSN 0035-8711. doi:10.1093/mnras/staa1343. Consultado el 30 de diciembre de 2024. 
  16. ↑ Carr, B. J.; Kohri, K.; Sendouda, Y.; Yokoyama, J. (2010). «New cosmological constraints on primordial black holes». Physical Review D 81 (10). doi:10.1103/PhysRevD.81.104019. Consultado el 31 de diciembre de 2024. 
  17. ↑ 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. 
  18. ↑ a b 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. 
  19. ↑ «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. 
  20. ↑ 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. 
  21. ↑ 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. 
  22. ↑ 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. 
  23. ↑ 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. 
  24. ↑ 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. 
  25. ↑ a b Firouzjahi, Hassan (2024-12). «Two-Loop Corrections in Power Spectrum in Models of Inflation with Primordial Black Hole Formation». Universe (en inglés) 10 (12): 456. ISSN 2218-1997. doi:10.3390/universe10120456. Consultado el 31 de diciembre de 2024. 
  26. ↑ Carr, Bernard; Kühnel, Florian (19 de octubre de 2020). «Primordial Black Holes as Dark Matter: Recent Developments». Annual Review of Nuclear and Particle Science (en inglés) 70 (Volume 70, 2020): 355-394. ISSN 0163-8998. doi:10.1146/annurev-nucl-050520-125911. Consultado el 31 de diciembre de 2024. 

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