Es bien sabido que los agujeros negros resultan de la muerte de estrellas masivas, pero los físicos creen que hay otras formas de formar agujeros negros.
Los agujeros negros son algunos de los objetos más extremos y exóticos del Universo. Ejercen tanta gravedad que ni siquiera la luz puede escapar, pero la mayoría de estas entidades también son sorprendentemente pequeñas y compactas. Los científicos estudian sus efectos gravitatorios sobre los objetos circundantes, como las estrellas y el gas.
La formación de un agujero negro ocurre cuando el núcleo de una estrella masiva colapsa debido a la inestabilidad gravitatoria. Esto da como resultado la explosión de una estrella en forma de supernova. El producto final es un tipo de agujero negro llamado agujero negro de masa estelar.
Hay otra clase de agujeros negros llamados agujeros negros supermasivos. Si bien su formación no se entiende tan claramente, en su mayoría se encuentran en el centro de las galaxias. Los astrónomos e investigadores creen que podrían haberse formado durante el mismo período de tiempo que la vida útil de sus respectivas galaxias.
Entonces, aunque el consenso es que la muerte de las estrellas da como resultado un agujero negro, los científicos creen que los agujeros negros no siempre tienen que formarse de esta manera. La teoría nos dice que hay más de una forma de crear un agujero negro. Esto se evidencia por una clase de agujeros negros llamados agujeros negros primordiales (PBH), que se refiere a los agujeros negros formados en algún momento durante el Universo temprano, antes de la creación de las primeras estrellas.
En este artículo, aprenderemos más sobre qué son estos agujeros negros primordiales, sus mecanismos de formación y las posibles formas de observarlos.
Formación y propiedades de los PBH
Como se mencionó, los agujeros negros de masa estelar se forman a partir de los núcleos colapsados de las estrellas moribundas. El factor esencial para su creación es la masa de la estrella colapsada. Cuando el núcleo colapsa, se acumula más masa en un área más pequeña. Si esto excede un límite definido (llamado límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff), el colapso del núcleo no se detiene. El resultado es la formación de un agujero negro.
En pocas palabras, para crear agujeros negros, se necesita una masa por encima de un valor particular dentro de un volumen de espacio definido. Si bien los centros de los núcleos estelares que colapsan son un lugar donde se cumple esta condición, los científicos han estado investigando otros escenarios donde esto es posible.
Estos otros escenarios son intrigantes, aunque desde un punto de vista teórico. Durante las primeras etapas del universo (a partir de 10 a 43 segundos después del Big Bang), existe una gran posibilidad de que la existencia de condiciones extremas haya llevado a la creación de PBH. Muchos físicos prominentes, incluidos Stephen Hawking y Maxim Khlopov, han buscado los posibles mecanismos de formación de PBH. Algunos de ellos se denominan falta de homogeneidad de la densidad, el colapso de las cuerdas cósmicas y el desarrollo de inestabilidades gravitacionales.
Todos los PBH eventualmente se extinguirán debido a la radiación de Hawking. Este proceso de ‘evaporación’ es lento y se lleva a cabo durante largos períodos de tiempo.
Los estudios han demostrado que los PBH que se formaron con masas de menos de 10 15 g habrían desaparecido en este punto de la historia cósmica. Sin embargo, estos agujeros negros habrían dejado algunas marcas en el Universo, como rayos gamma de fondo dentro y alrededor de las galaxias, antimateria dentro de los rayos cósmicos y repentinos estallidos cortos de rayos gamma.
Esos PBH con masas superiores a 10 15 g también emitirían radiación de Hawking, aunque a un ritmo mucho más lento, y tales PBH todavía existirían en la actualidad. Estas habrían sido probablemente las semillas de los agujeros negros supermasivos que encontramos hoy en el centro de las galaxias. También pueden haber jugado un papel esencial en la evolución de los cúmulos de galaxias y otras estructuras grandes del universo.
Sin embargo, uno de los estudios de investigación más destacados sobre los PBH es averiguar si constituyen el contenido de materia oscura del Universo. Esto se debe a que la formación de PBH se produjo durante un período del Universo en el que la energía de radiación era dominante. Por lo tanto, en realidad no serían considerados “materia ordinaria”, ya que la materia ordinaria surgió más tarde. Sin embargo, no tenemos evidencia observacional que indique que los PBH podrían constituir materia oscura (como ocurre con todos los candidatos a materia oscura).
Ahora bien, solo tener el marco teórico no es suficiente. Para confirmar la existencia de PBH, uno debe poder observar estos objetos. Dado que estos objetos son agujeros negros, la observación directa no es factible. Por lo tanto, los astrónomos han intentado desarrollar técnicas inteligentes que nos permitan verlos.
Posibles métodos de detección
Una forma es observar la radiación de Hawking y los rayos gamma que emiten los agujeros negros durante sus etapas finales de evaporación. Como se mencionó, los PBH que inicialmente tenían masas de alrededor de 10 15 g ya se habrían extinguido en forma de ráfagas de radiación gamma de alta energía. Como la evaporación de los agujeros negros es un proceso tediosamente lento, solo los PBH exhibirían esto, ya que su formación tuvo lugar hace mucho tiempo. Los agujeros negros formados por el colapso de núcleos estelares son demasiado jóvenes para mostrar este fenómeno.
Uno de los desafíos de observar los rayos gamma emitidos por la evaporación de un agujero negro es su naturaleza aleatoria y de corto plazo. Por lo tanto, no es fácil atraparlos, lo que dificulta hacer otro tipo de observaciones de estos eventos.
Otra forma es detectar las ondas gravitatorias producidas por la formación de un agujero negro o durante la fusión de PBH binarios. Sin embargo, la onda gravitacional creada durante su formación se debilitaría con la expansión del Universo. Usando modelos del universo primordial y otros procesos astrofísicos, es posible determinar la cantidad de PBH que existen.
Sin embargo, aún se necesita mucho trabajo para confirmar la detección de PBH utilizando ondas gravitacionales. Uno es del desarrollo de observatorios de ondas gravitacionales de próxima generación. También se necesitan mejores restricciones en los modelos utilizados para determinar la población de PBH.
La tercera forma de detectarlos es mediante técnicas de microlentes. En este, un PBH pasa entre una estrella lejana y un observador en la Tierra, quien vería variaciones en la luminosidad observada de las estrellas “detrás”. Si bien los investigadores desarrollaron esta técnica para detectar materia oscura, creen que también es posible observar PBH con masas entre 10 19 y 10 24 gramos con este método. Varias encuestas, como MACHO y EROS, han buscado eventos de microlentes en las Grandes Nubes de Magallanes. Mientras tanto, Subaru Hyper Suprime-Cam (Subaru/HSC) realizó el mismo estudio de microlente para Andromeda Galaxy.
Conclusión
De hecho, la detección de estos objetos primordiales sería de gran interés para los astrónomos y físicos que investigan campos como la Cosmología. Los PBH podrían proporcionar información vital sobre los procesos físicos que tuvieron lugar durante los primeros momentos y eras del Universo. Daría pistas esenciales sobre la evolución del Universo y cómo terminó siendo como es hoy. Los científicos esperan que los PBH proporcionen información vital sobre la inflación cosmológica, el período de rápida expansión del Universo.
Entonces, aunque solo es “teóricamente posible”, los investigadores confían en que existen los PBH. Esto significa que la formación de agujeros negros comenzó incluso antes de la creación de las primeras estrellas. Es solo cuestión de tiempo antes de que hayamos obtenido la evidencia observacional para confirmar su existencia de una vez por todas.
Fuente:
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