LIGO y los agujeros negros como materia oscura

Dibujo20160525 primordial black holes as halo dark matter ApJ Lett

La fusión de dos agujeros negros de unas 29 y unas 36 masas solares gracias a LIGO ha hecho renacer la idea. El halo de materia oscura que rodea las galaxias podría estar formado, en gran parte, por agujeros negros de masa estelar. Luego LIGO podría haber observado la materia oscura. De hecho, el efecto de microlentes gravitacionales no permite descartar la existencia de agujeros negros primordiales con masas entre 10 y 100 masas solares (10M⊙ ≲ m ≲ 100 M⊙). Por ello se han publicado varios artículos ofreciendo esta idea.

Se espera que en el próximo lustro LIGO+Virgo observe señales del fondo estocástico de ondas gravitacionales. Estas ondas gravitacionales son producidas por la fusión de objetos compactos (estrellas de neutrones y agujeros negros). Su observación permitirá estimar con precisión la contribución de los agujeros negros al halo de materia oscura de nuestra galaxia. Hasta entonces, la idea de que los agujeros negros contribuyen un buen porcentaje a la materia oscura de los halos galácticos seguirá viva y coleando.

Varios medios se hacen eco del artículo de A. Kashlinsky, “LIGO gravitational wave detection, primordial black holes and the near-IR cosmic infrared background anisotropies,” The Astrophysical Journal Letters 823: L25 (24 May 2016), doi: 10.3847/2041-8205/823/2/L25, arXiv:1605.04023 [astro-ph.CO]; como también se hicieron eco de Simeon Bird, Ilias Cholis, …, Adam G. Riess, “Did LIGO detect dark matter?” arXiv:1603.00464 [astro-ph.CO], y antes aún de Paul H. Frampton, “Searching for Dark Matter Constituents with Many Solar Masses,” arXiv:1510.00400 [hep-ph], y Paul H. Frampton, “The Primordial Black Hole Mass Range,” Modern Physics Letters A 31: 1650064 (2016), DOI: 10.1142/S0217732316500644, arXiv:1511.08801 [gr-qc]. Como es obvio, la idea no es nueva y lleva rondando desde los 1970.

A nivel divulgativo te recomiendo leer a KFC, “Why Black Holes May Constitute All Dark Matter,” MIT Tech. Rev. 22 Mar 2010; Sean Carroll, “Did LIGO Detect Dark Matter?” Preposterous Universe, 10 Mar 2016; “NASA New Flash: “All Galaxies Including Milky Way are Embedded Within a Vast Sphere of Black Holes”,” The Daily Galaxy, 24 May 2016; y muchos otros.

Dibujo20160525 primordial black holes rate as function of halo dark matter mass arxiv

La tasa de fusión de agujeros negros depende de la masa de los halos galácticos si están formados, en gran parte, por agujeros negros de masa estelar. Se estiman unas cinco fusiones por gigapársec cúbico por año. En dicho caso LIGO+Virgo observará gran número de fusiones en los próximos años. Luego la idea de que los agujeros negros contribuyen a gran parte del halo de materia oscura de las galaxias será pronto confirmada o refutada.

Hasta ahora la idea de que los agujeros negros contribuyen a la materia oscura había sido estudiada gracias al efecto de microlentes gravitacionales. Pero dicho efecto es notable para las estrellas cercanas, en nuestro entorno en la galaxia. Luego permite estudiar la distribución de agujeros negros entre la materia visible de nuestra galaxia, pero no permite alcanzar los que se encuentren más allá, en el halo de materia oscura. Por ello hasta que LIGO+Virgo no publiquen sus análisis del fondo estocástico de ondas gravitacionales no podremos salir de dudas.

Me gustaría destacar que la materia oscura no puede estar formada sólo por agujeros negros primordiales. A escala cosmológica se requiere otra explicación. Aún así, el fondo cósmico de microondas (CMB) permite estimar la contribución de la materia oscura a la densidad energética total del universo. Pero para la contribución de los agujeros negros primordiales de masa estelar no aporta información relevante. Ver por ejemplo, Massimo Ricotti, Jeremiah P. Ostriker, Katherine J. Mack, “Effect of Primordial Black Holes on the Cosmic Microwave Background and Cosmological Parameter Estimates,” The Astrophysical Journal 680: 829 (2008), doi: 10.1086/587831, arXiv:0709.0524 [astro-ph]; y Paolo Pani, Abraham Loeb, “Constraining Primordial Black-Hole Bombs through Spectral Distortions of the Cosmic Microwave Background,” Phys. Rev. D 88: 041301 (2013), doi: 10.1103/PhysRevD.88.041301, arXiv:1307.5176 [astro-ph.CO].

En resumen, una idea sugerente que requiere recabar datos adicionales. Por fortuna, si todo va bien, la idea será confirmada o refutada en el próximo lustro.


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