Agujero negro primordial para niños
Un agujero negro primordial es un tipo especial de agujero negro que, según algunas ideas, se formó en los primeros momentos del universo. A diferencia de los agujeros negros que conocemos, que nacen cuando una estrella muy grande se colapsa, los agujeros negros primordiales se habrían creado por la gran densidad del universo justo después del Big Bang. Los científicos Stephen Hawking y Bernard Carr propusieron esta idea en 1974.
Durante casi cincuenta años, los agujeros negros primordiales han sido considerados como posibles componentes de la materia oscura. Hoy en día, siguen siendo uno de los principales candidatos para explicar este misterioso tipo de materia.
La idea de los agujeros negros primordiales fue propuesta por primera vez por los físicos rusos Yakov Zeldovich e Igor Novikov. Años más tarde, Stephen Hawking y Bernard Carr estudiaron a fondo su posible existencia y cómo podrían formarse.
Según el modelo estándar del universo, en los momentos posteriores al Big Bang, el universo era extremadamente caliente y denso. En estas condiciones, pequeñas variaciones en la densidad de la materia podrían haber creado regiones tan densas que se convirtieron en agujeros negros. Aunque la mayoría de estas regiones densas se habrían dispersado con la expansión del universo, un agujero negro primordial sería muy estable y podría haber sobrevivido hasta hoy.
Sin embargo, los agujeros negros primordiales (también conocidos como PBH por sus siglas en inglés) no son completamente estables. Pueden "evaporarse" lentamente emitiendo algo llamado radiación de Hawking. Este proceso de evaporación determina la masa mínima que un PBH debe tener para haber sobrevivido hasta la actualidad. Además, la producción de rayos gamma por la evaporación de los PBH se usa para limitar la posibilidad de que sean toda la materia oscura. Actualmente, se calcula que la masa mínima de un agujero negro primordial que podría ser toda la materia oscura es de aproximadamente 3.5x10-17 veces la masa de nuestro Sol.
En 2021, un estudio de Nico Cappelluti, Günther Hasinger y Priyamvada Natarajan sugirió que los agujeros negros primordiales podrían ayudar a explicar la radiación infrarroja en el universo. El telescopio espacial James Webb podría ofrecer nuevas pruebas sobre este tema.
Agujeros negros primordiales y la materia oscura
Aproximadamente, solo el 5% del universo está formado por la materia que conocemos, como átomos y moléculas. El 95% restante es un misterio. De ese 95%, un 25% es materia oscura. Esta materia no interactúa de forma visible con el universo, excepto a través de la gravedad. Por eso se le llama "materia" (porque tiene gravedad) y "oscura" (porque no emite ni refleja luz).
¿Por qué los agujeros negros primordiales son candidatos a materia oscura?
Los agujeros negros primordiales son candidatos interesantes para la materia oscura porque son objetos que ya conocemos (agujeros negros). No requieren la existencia de nuevas partículas que no estén en nuestro modelo estándar de la física. Sin embargo, su formación sí necesitaría condiciones especiales en el universo temprano.
El mayor atractivo de los PBH como materia oscura es que, al ser agujeros negros, es más fácil limitar el rango de masas en el que una población de PBH podría ser toda la materia oscura. Hay varias formas de limitar este rango de masas. Existe una "ventana" de masas, similar a la de los asteroides, donde los PBH podrían ser la totalidad de la materia oscura. Este rango va desde 3.5x10-17 hasta 4.0x10-12 veces la masa del Sol.
El límite mínimo de masa se debe a la evaporación de los PBH, y el límite máximo se establece por la ausencia de ciertos eventos observados con telescopios, como los causados por microlentes gravitacionales.
¿Cómo se forman los agujeros negros primordiales?
Existe una diferencia entre un colapso directo y la formación de un PBH debido a un colapso energético. Un colapso directo ocurre cuando grandes regiones de gas inusualmente densas se colapsan en una etapa posterior del universo. En cambio, un PBH se formaría por el colapso de materia ionizada o energía (o ambas) durante las primeras etapas del universo, como la era de la radiación o la era inflacionaria. Los científicos aún investigan cómo ocurrió este colapso inicial.
