Materia oscura, ondas gravitacionales y agujeros negros primordiales

Gastón Giribet. Investigador del Center for Cosmology and Particle Physics de New York University. Profesor de la UBA e Investigador Principal del CONICET.

Trabajos recientes sugieren que una parte importante (se estima que hasta un 1%) de la materia oscura del universo podría estar formada por agujeros negros primordiales; es decir, por agujeros negros que no se formaron a partir de la muerte de estrellas sino que existen desde los orígenes del universo. Esta es una idea que tomó fuerza en los últimos dos años y que intentamos resumir aquí.

Dos años atrás, luego de que la colaboración LIGO [1] detectara ondas gravitacionales producidas por lo que, según entendemos, es la coalescencia de dos agujeros negros de aproximadamente 30 masas solares, una vieja pero renovada idea comenzó a ganar terreno: Los agujeros negros con masas dentro del rango de 20 a 100 masas solares podrían explicar una porción -acaso substancial- de la materia oscura del universo.

La materia oscura, sabemos, es la materia responsable de mantener las galaxias unidas, impidiendo que éstas se disgreguen debido a la fuerza centrífuga. En efecto, la velocidad de rotación observada en las galaxias es mucho mayor que la que uno podría esperar si ellas sólo contuviesen la materia que en ellas vemos brillar. A tales velocidades de rotación la materia que “vemos” no sería suficiente como para contrarrestar la fuerza centrífuga y las galaxias terminarían por desmembrarse y esparcirse en el medio intergaláctico.

Se infiere de esto –y de otras observaciones de diferente naturaleza– que hay en el universo mucha más materia que la que nosotros vemos. La gravedad que genera esa “materia oscura” termina por delatarla. La materia que “vemos” es la poca que tiene la suerte de interactuar con la luz que nos permite verla. La gran mayoría de la materia es oscura o, mejor dicho, perfectamente transparente; es sólo a través de su influencia gravitatoria que sabemos de ella.

Se impone, así, la pregunta: ¿Qué es la materia oscura? ¿Qué la compone? ¿Está formada acaso de partículas que, como los neutrinos, no interactúan con la luz y sólo lo hacen débilmente con la materia nuclear? ¿Está formada la materia oscura de partículas que ni siquiera con la fuerza nuclear interactúan dándole la exclusividad a la fuerza gravitatoria? ¿Es la materia oscura simplemente un gas de objetos estelares oscuros, compactos, opacos?, ¿o se trata de un montón de partículas frías débilmente interactuantes que inundan el espacio y nos atraviesan imperceptibles por aquello de que percibir es también ver? En definitiva, ¿qué tipo de materia es la materia oscura?

Una vieja idea que, aunque se creyó descartada hace tiempo, hoy reaparece con renovado ímpetu propone que parte de la materia oscura se compone de objetos astronómicos masivos y compactos; más precisamente, de agujeros negros con masas que rondan la decena de veces la masa de nuestro sol. No toda la materia oscura puede deberse a ellos, pero sí es posible que alguna porción de ella sea simplemente eso, agujeros negros.

Dos artículos sobre esta idea que llamaron mi atención en su momento, allá por marzo de 2016. Éstos son [2] y [3], ambos publicados en Physical Review Letters. En esos trabajos se especula que la abundancia de sistemas binarios de agujeros negros podría dar cuenta de parte de la materia oscura que sabemos que existe en el universo. Un sistema binario –en este caso de agujeros negros– es un par de astros que rota uno en torno al otro para entrar, al cabo de tiempos prolongados, en un movimiento espiral que culmina en la coalescencia de ambos y la consecuente producción de ondas gravitacionales.

Es eso lo que LIGO observa, esas ondas. Esto permite estimar la tasa de ocurrencia de esos eventos de coalescencia: del orden de las decenas de eventos por cada Giga-Pársec cubo por cada año. Teniendo en cuenta esta tasa, los trabajos de marzo de 2016 afirman que los sistemas binarios de agujeros negros con masas de alrededor de algunas docenas de masas solares podrían ser, en efecto, la huella de la materia oscura [2]. Estos agujeros negros tienen que ser, por supuesto, agujeros negros primordiales; es decir, agujeros negros que no se formaron por el colapso gravitacional tras la muerte de estrellas sino que nacieron mucho antes de que ninguna estrella haya existido, durante las primeras fracciones de segundo del universo, una etapa evolutiva del cosmos en la que la física de partículas fundamentales era la que dominaba la escena.

Este origen “primordial” de los agujeros negros que formarían parte de la materia oscura es necesario debido a que sabemos que la materia oscura ha estado en el universo desde sus comienzos; por lo tanto, si no queremos entrar en conflicto con lo que sabemos sobre la cosmología del universo temprano, es mejor que estos objetos hayan estado allí desde el inicio, i.e. que sean primordiales.  

La idea de que la materia oscura podría estar compuesta de astros masivos no es nueva sino que data de varias décadas. Incluso durante mucho tiempo se la creyó una idea anticuada, ya descartada. Se pensaba hasta no hace más de uno o dos años que la cantidad de agujeros negros primordiales en el universo no podía ser apreciable debido a que, si lo fuera, no podríamos explicar los datos cosmológicos que observamos.

Las restricciones observacionales sobre la abundancia de agujeros negros primordiales vienen principalmente de dos fenómenos: los efectos distorsivos de lentes gravitacionales y el efecto que este tipo de astros habría tenido sobre la radiación cósmica de fondo. No haber observado esos efectos hizo pensar a los especialistas por más dos décadas que, de existir, los agujeros negros primordiales debían ser muy pocos como para que su presencia en el cosmos fuera relevante.

La historia cambió en 2016-2017, cuando nuevos estudios advirtieron que se habían sobreestimado las cotas para la abundancia de agujeros negros primordiales. Quedaba una posibilidad: Un análisis detallado muestra que existe una ventana de valores de masa, que va de entre 20 a 100 masas solares, para los cuales las cotas no son tan estrictas. Esto es, las observaciones cosmológicas no descartan una abundancia notable de agujeros negros primordiales siempre y cuando la masa de éstos sea de unas pocas decenas de masas solares.

Lo interesante es que, justamente, ¡es ese el rango de masas detectado por LIGO! ¿Podemos decir, entonces, que lo que LIGO detectó no fueron sólo ondas gravitacionales sino también materia oscura? Fue esa la posibilidad que se sugería en [2].  Esto reabrió la puerta a la idea de que la materia oscura o, mejor dicho, un porcentaje de ella, podría estar formada por agujeros negros, agujeros negros primordiales que forman sistemas binarios de algunas decenas de masas solares, sistemas binarios que hoy están en coalescencia y cuyo estallido final estamos comenzando a oír. Los autores de [3] hacen declaraciones concisas al respecto: Primero, el primer evento de ondas gravitatorias detectado por LIGO, denominado GW150914, se puede explicar por la coalescencia de los agujeros negros primordiales. Segundo, la tasa de fusión prevista para los agujeros negros primordiales estaría en concordancia con la tasa estimada por las colaboraciones de LIGO y Virgo si se asume que tales objetos constituyen cierta fracción de materia oscura. Una revisión más reciente del análisis, incorporando cálculos más detallados y teniendo en cuenta más efectos [4], concluye que, según lo que entendemos hoy, hasta el 1% de la materia oscura podría estar constituida de agujeros negros. (Uno de los autores del trabajo [4] confirma que esta estimación es aceptada actualmente). Cabe decir también que esta idea, aunque compartida por varios expertos, ha sido recibida con escepticismo por otra parte de la comunidad especializada.

Fuera como fuere, es una idea ciertamente interesante: ¿Está la materia oscura constituida de un conjunto de astros con unos pocos cientos de kilómetros de diámetro cada uno?  

Referencias:

1. LIGO and The Virgo Scientific collaborations, Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016), arxiv:1602.03837

2. S. Bird et al. Phys. Rev. Lett. 116, 201301 (2016), arxiv:1603.00464

3. M. Sasaki et al., Phys. Rev. Lett. 117, 061101 (2016), arxiv:1603.08338

4. Y. Ali-Haïmoud et al., Phys. Rev. D 96, 123523 (2017), arxiv:1709.06576