La materia oscura no son agujeros negros de masa estelar

Dibujo20170207 black hole dark matter constraints marco cirelli 2016

Las ondas gravitacionales detectadas por LIGO pusieron de moda la idea de que la materia oscura son agujeros negros primordiales de masa estelar (entre 10 y 100 masas solares). Los estudios con lentes gravitacionales descartan la idea. La puntilla es el último trabajo de Evencio Mediavilla (Instituto de Astrofísica de Canarias) y varios colegas. La masa de los agujeros negros u otros objetos compactos es despreciable fuera del rango 0,05 M⊙ < M < 0,45M⊙ (entre el 5% y el 45% de la masa del Sol). Y en cualquier caso, su contribución total solo alcanza el (20 ± 5)% de la masa bariónica total.

Por tanto, la materia oscura no pueden ser agujeros negros de masa estelar de origen primordial. Una idea que agrada a muchos físicos, pero que todos los estudios descartan. El nuevo trabajo es E. Mediavilla, J. Jimenez-Vicente, …, J. Calderón-Infante, “Limits on the Mass and Abundance of Primordial Black Holes, ” APJLetters (2017), arXiv:1702.00947 [astro-ph.GA]. Por cierto, uno de los firmantes de este trabajo es mi amigo y joven doctor en astrofísica Héctor Vives-Arias, @DarkSapiens.

Dibujo20170219 hector vives gravitational lensing catedra pedro ibarra universitas miguel hernandez

Aprovecho para recordar que Héctor defendió su tesis doctoral el pasado 16 de diciembre de 2016. Nos lo contó en su blog de divulgación, “Doctor en Física,” Critical Thinking, 03 Ene 2017. La tesis “Gravitational Lensing: the Structure of Quasars and Galaxies” se defendió en la Universidad de Valencia y la puedes descargar en el repositorio RODERIC. Escrita en inglés, incluye el obligatorio resumen en español de 4000 palabras. Si te interesa el tema de lentes gravitacionales y sus implicaciones a la hora de entender el contenido del universo, seguro que la disfrutarás.

Por cierto, uno de los grandes defensores de los agujeros negros como materia oscura es Paul Frampton, el físico británico que pasó unos años en una prisión de Argentina (LCMF 02 Oct 2012, LCMF 22 Nov 2012); te recomiendo leer Paul H. Frampton, “Identification of All Dark Matter as Black Holes,” JCAP 10: 016 (2009), doi: 10.1088/1475-7516/2009/10/016, arXiv:0905.3632 [hep-th], y G. Chapline, P.H. Frampton, “A new direction for dark matter research: intermediate mass compact halo objects,” JCAP 11: 042 (2016), doi: 10.1088/1475-7516/2016/11/042, arXiv:1608.04297 [gr-qc]. Y por supuesto, recordar que en este blog puedes leer varias entradas sobre agujeros negros y materia oscura, como “Límites para la masa de los agujeros negros como materia oscura”, LCMF, 21 Jul 2016, donde me hacía eco del artículo de Bernard Carr, Florian Kuhnel, Marit Sandstad, “Primordial Black Holes as Dark Matter,” Phys. Rev. D 94: 083504 (2016), doi: 10.1103/PhysRevD.94.083504.

Dibujo20170210 black holes as gravitational lenses by darksapiens hector vives-arias

[PS] Héctor nos ha preparado esta estupenda imagen que ilustra el efecto de los agujeros negros en primer plano sobre una distribución de masa de fondo. Los agujeros negros actúan como lentes gravitacionales. A partir de su efecto se puede estimar su masa y su distribución espacial. La ausencia de este tipo de efectos permite descartar su presencia en ciertos rangos de masas. Por supuesto, en esta recreación artística, Héctor ha exagerado el tamaño de los agujeros negros y su cercanía mutua, con objeto de facilitar la comprensión de la imagen). [/PS]

El nuevo trabajo de Mediavilla y sus colegas ha estudiado 24 lentes gravitacionales de cuásares en busca del posible efecto de microlentes gravitacionales debidas a MACHOs extragalácticos (agujeros negros y otros objetos compactos que se consideran candidatos a explicar la materia oscura). El término microlentes se refiere a las lentes gravitacionales en las que las imágenes múltiples están separadas por distancias del orden de microsegundos de arco, y por tanto no se pueden resolver en las observaciones [gracias Héctor por la aclaración].

Dibujo20170210 Likelihood function for microlenses as function of mass fraction optical and X-ray

En el modelado del microlenticulado (microlensing) se determina la fracción total de materia en la microlente, α, su masa promedio, M, y el tamaño del disco de acreción del cuásar, rs. En el nuevo estudio se ha estudiado el plano (α, M) gracias a que el efecto del tamaño del disco rs se renormalizar usando la masa M. La figura muestra la distribución de probabilidad con máxima verosimilitud en el óptico y en rayos X en el plano (α, M). Los resultados ópticos prefieren una masa 0,05 M⊙ < M < 0,45 M⊙ al 90% CL y en rayos X a 0,04 M⊙ < M < 35 M⊙ al 68% CL. Además, la abundancia de microlentes se estima en α = 0,2 ± 0,05, en buen acuerdo con lo esperado en función de la abundancia de estrellas.

Entrar en todos los detalles técnicos nos llevaría lejos. Lo relevante del nuevo artículo es que confirma las conclusiones de estudios previos. Las lentes gravitacionales descartan la existencia de una población de agujeros negros de masa estelar que pueda contribuir a la materia oscura. Toda contribución posible es un porcentaje de la materia bariónica estimada por los modelos cosmológicos, en concreto, parte de la llamada materia bariónica perdida (la que no observamos mediante esterellas).


9 Comentarios

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Francisco R. Villatoro

Elena, la hipótesis de Antonio Alfonso Faus (que falleció en 2015) es que la materia oscura son agujeros negros de tamaño lunar o terrestre. Antonio (Ingeniero Aeronáutico) eligió una masa en la región que aún no habíamos y aún no hemos explorado por razones técnicas; por tanto, en rigor, no está descartada. Sin embargo, sigue teniendo el mismo problema de siempre, ¿cómo se formaron? Si son agujeros negros primordiales, nadie sabe cómo se formaron con una masa en el rango que aún no hemos podido explorar, pero no se formaron con mayor masa o con menor masa; Antonio no sabía explicar el porqué. Imaginar que hubo una coincidencia cósmica que hizo que se formaran con la masa donde los humanos de hoy en día aún no hemos podido descartarlos es solo eso, pura imaginación. Y si no son agujeros negros primordiales, no pueden ser el origen de la materia oscura que se observa en el fondo cósmico de microondas (ya que entonces no había cuerpos que pudieran colapsar para formarlos).

En resumen, los agujeros negros con mayor masa (superior a la del Sol) están descartados. Los agujeros negros con menor masa ya tendrían que haberse evaporado y no pueden explicar la materia oscura hoy en día. Por tanto, que haya una ventana aún sin explorar no aporta pruebas a una hipótesis sin mayor fundamento. Por todo ello puedes olvidar la hipótesis de Antonio, aunque te resulte “sumamente interesante”.

Iñigo XimenoIñigo Ximeno

Si sumamos todos esos posibles “casi que si” igual nos cuadran números al final.

PelauPelau

Como dice Francis en su respuesta a Elena, puedes olvidar la hipótesis de Antonio Faus.

https://es.wikipedia.org/wiki/Agrupa...%C3%A1ctica
“En las escalas más grandes del universo visible, la materia se agrupa en filamentos y extensas paredes o muros rodeadas de vacíos a modo de enormes burbujas huecas con los supercúmulos de nodos. La estructura parece asemejarse a la de a una esponja.”

La expansión del universo ocurre en todas partes, pero en la práctica y simplificando mucho la expansión se manifiesta más en esas enormes burbujas huecas porque al no haber materia no hay gravedad que se oponga a la expansión.

Las burbujas huecas se hinchan, la esponja se expande, los filamentos se estiran, y los supercúmulos se alejan entre sí. Pero el tamaño de los supercúmulos permanece más o menos constante, su gravedad contrarresta la expansión.

Un cúmulo de galaxias se comporta como un “gas” cuyas partículas son galaxias. Es un “gas” peculiar, pues no sólo tiende a expandirse, también tiende a colapsar por su propia gravedad. Ese precario equilibrio mantiene el volumen del cúmulo más o menos constante.

Las órbitas de las galaxias en un cúmulo son mucho más desordenadas que las de los planetas en un sistema solar. Así las cosas, las colisiones y otras interacciones de galaxias son muy comunes:
https://es.wikipedia.org/wiki/Intera...de_galaxias

Grand Finale:
https://es.wikipedia.org/wiki/Expans...el_Universo

Saludos.

Francisco R. Villatoro

Juan Carlos, ya he hablado de estos artículos en este blog varias veces; el autor principal, Stacy McGaugh, alumno de Vera Rubin, como ella, afirma que las curvas de rotación galáctica no prueban que existe la materia oscura, sino ideas como MOND. El gran problema es que la evidencia más débil de la materia oscura son las galaxias y que las evidencias más fuertes son imposibles de explicar con MOND. Las galaxias son objetos complicados y sabemos poco sobre ellas. Si te interesa saber más sobre estas ideas a escala galáctica te recomiendo el blog de McGaugh Triton Station.

Juan CarlosJuan Carlos

Gracias Francis.
He recibido el guantazo :-) y he repasado las entradas del blog en relación a la materia oscura (mantengo una animada discusión con un colega que sostiene que se trata de una magufada).
Me ha interesado especialmente (por el recorrido histórico y por no ser demasiado técnica; soy doctor en Química-física y lo mío es la termodinámica estadística, pero en cosmología ando justito) esta entrada http://naukas.com/2010/08/20/la-hist...ria-oscura/ donde apostabas, hace ya casi 7 años, que en 10 descubriríamos la naturaleza de la materia oscura.
En tu opinión ¿como vamos?
Gracias por tu tiempo.

Juan Carlos—

Francisco R. Villatoro

Juan Carlos, predecir el futuro es imposible, y hoy el asunto pinta bastante peor que en 2010. El limite del fondo de neutrinos para las WIMP de masa atómica lo alcanzaremos entre 2020 y 2023, según el experimento de búsqueda directa. La esperanza de muchos es encontrar algo. Si no lo encontramos, habrá que rediseñar los experimentos de búsqueda directa y aún no sabemos bien cómo habrá que hacerlo. Siempre nos quedará París, quiero decir la esperanza de los axiones de muy baja masa y de las partículas de alta masa en el LHC.

Juan CarlosJuan Carlos

Gracias otra vez Francis.
Confiemos en que los detectores de WIMPs o el propio LHC nos de una alegría más pronto que tarde.
Saludos,

Juan Carlos—
@ApuntesCiencia

PS: Me ha hecho gracia como acabas tu respuesta a mi comentario anterior. Usé la referencia a Casablanca en http://naukas.com/2011/03/04/cual-es...de-un-kilo/ ^_^

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