Así es como las ondas gravitacionales serán señal de agujeros negros primarios

^{Representación artística de un agujero negro (Wikimedia Commons).}

El concepto de corrimiento al rojo señala que mientras más lejana es una galaxia, la luz que de ella vemos será más roja, en la medida además de que de acuerdo con el modelo estándar el universo está en constante expansión y las galaxias en él, en constante desplazamiento.

Esta noción en primordial para entender el reciente descubrimiento de un grupo de físicos de Harvard (EE.UU.): los agujeros negros no podrían haberse formado tal como propone el modelo estándar antes de los cien millones de años posteriores al Big Bang, de acuerdo con su reciente investigación, publicada en Physical Review Letters.

Así, si registramos ondas gravitacionales a partir de la fusión de dos agujeros negros con un corrimiento al rojo mayor a 40, esta será una evidencia prácticamente inequívoca en favor de la existencia de agujeros negros primarios.

De acuerdo con el escenario estándar, se forma un agujero negro como resultado del colapso gravitacional de una estrella grande. Según el modelo, las estrellas comenzaron a aparecer solo 550 millones de años después del Big Bang (la era de la reionización), es decir, hasta el momento de la reionización, los agujeros negros no deberían haber surgido. Por otro lado, en el Universo primitivo la materia estaba muy caliente y no era homogénea, y los agujeros negros podían aparecer simplemente debido a las fluctuaciones en su densidad. Dichos agujeros negros se llaman agujeros primarios.

Estas son rara avis en el universo, muy difíciles de observar. Si ya los agujeros estándar son difícil de detectar porque absorben incluso la luz a su alrededor, estos se buscan por acción gravitatoria en los cuerpos cercanos. Pero para los agujeros negros primarios, este método no funcionará.

Por ejemplo, un sistema que consta de dos agujeros negros, finalmente se colapsa en un agujero más masivo, que emite ondas gravitacionales. Midiendo estas ondas, se puede establecer aproximadamente el desplazamiento hacia el rojo del sistema original (es decir, el que había al momento en el que se produjo la fusión) y la masa de agujeros. Por el momento, la colaboración LIGO ha registrado cinco eventos que corresponden a la fusión de dos agujeros negros.

En el reciente artículo, los físicos Savvas M Koushiappas y Abraham Loeb calcularon con qué frecuencia deberíamos registrar fusiones de agujeros negros, dependiendo de su desplazamiento al rojo. Para hacer esto, los científicos usaron el modelo cosmológico estándar y creyeron que las estrellas y los agujeros negros se forman a partir de una sustancia atrapada en un halo de materia oscura. En este caso, la masa del halo debe superar un cierto límite, de modo que el hidrógeno molecular frío comienza a contraerse y convertirse en estrellas. Los científicos tomaron la dependencia de la masa de halo de un trabajo anterior, estimaron la velocidad del flujo de materia ordinaria de la misma manera que en otro artículo.

Como resultado, cuanto mayor es el desplazamiento al rojo, menos agujeros negros se forman (de acuerdo con el escenario estándar), y con menor frecuencia debemos registrar sus fusiones, y dado que el desplazamiento de z = 40 no debería existir. En tiempos más antiguos, la materia no podía colapsar en agujeros negros, simplemente no había nada que fusionar. Por otro lado, si en esos días se hubieran podido formar agujeros negros primarios, atrapar ondas gravitacionales con un corrimiento al rojo mayor, será un buen argumento a favor de su existencia.

Vale la pena señalar que en este documento, los físicos hicieron dos aproximaciones importantes que simplificaron enormemente sus cálculos. En primer lugar, creían que la formación y fusión de los agujeros negros ocurre instantáneamente. En otras palabras, el gas y el polvo se contraen instantáneamente en estrellas, que inmediatamente colapsan en agujeros negros, y luego el sistema doble resultante inmediatamente se funde en un gran agujero negro, irradiando ondas gravitatorias. En segundo lugar, los científicos asumieron que toda la materia atrapada en racimos de materia oscura inevitablemente se convierte en agujeros negros. Por supuesto, en realidad, la sustancia se consume no de manera "eficiente", pero teniendo en cuenta estas correcciones solo conduce a restricciones menos débiles en el desplazamiento al rojo.

Por lo tanto, los físicos concluyen que si registramos las ondas gravitacionales de la fusión de dos agujeros negros con un corrimiento al rojo z> 40, esto indicará la existencia de agujeros negros primarios. En cualquier caso, este descubrimiento tendría un gran impacto en el desarrollo de la cosmología. Por el momento, la precisión de los detectores no es suficiente para esto, pero se espera que dichos eventos puedan registrarse con la ayuda del detector de ondas gravitacionales de próxima generación.

Hans Huerto

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