La formación de agujeros negros primordiales que expliquen la materia oscura

Dibujo20180326 dark matter primordial black holes spectrum at formation Phys Rev Lett 120 121301 2018

Las ondas gravitacionales observadas por LIGO/Virgo han rescatado la idea de que los agujeros negros primordiales (PBHs) pueden explicar la materia oscura. El problema de esta idea es encontrar un mecanismo de formación de PBHs con una masa adecuada, ni más masivos, ni menos masivos. El físico español José Espinosa (ICREA) y dos colegas publican en Physical Review Letters una explicación basada en el campo de Higgs. La inestabilidad del campo de Higgs en el periodo preinflacionario daría lugar a la producción de PBHs con una masa similar a la del monte Everest (~ 5 × 1017 g), que constituirían toda la materia oscura.

Estos PBHs de baja masa escapan de los límites de exclusión actuales y serían un candidato ideal para la materia oscura dentro del modelo estándar, sin necesidad de recurrir a física más allá. Pero, por supuesto, por muy bonito que pueda ser el germen de una idea, se necesitan futuros estudios sobre su evolución. No sabemos cómo afectarán los procesos de fusión de agujeros negros a su distribución estadística actual a gran escala. Tampoco sabemos cómo afectarán a las anisotropías del fondo cósmico de microondas y a la formación de galaxias y grandes estructuras del universo. Por ahora solo tenemos una idea sugerente. Queda mucho trabajo por realizar, tanto teórico, como computacional.

Más importante aún, hay que determinar qué señales cosmológicas produce la nueva idea que se puedan confrontar con las observaciones. El artículo es J. R. Espinosa, D. Racco, A. Riotto, “Cosmological Signature of the Standard Model Higgs Vacuum Instability: Primordial Black Holes as Dark Matter,” Phys. Rev. Lett. 120: 121301 (23 Mar 2018), doi: 10.1103/PhysRevLett.120.121301arXiv:1710.11196 [hep-ph]; más información divulgativa en Michael Schirber, “Cosmic Instability Could Have Created Dark Matter,” APS Physics, 23 Mar 2018. Las primeras predicciones de las no-gaussianidades en el fondo cósmico de microondas inducias por la nueva idea se han publicado en G. Franciolini, A. Kehagias, …, A. Riotto, “Primordial Black Holes from Inflation and non-Gaussianity,” JCAP 03: 016 (2018), doi: 10.1088/1475-7516/2018/03/016, arXiv:1801.09415 [astro-ph.CO].

La nueva idea es la inversa a la nucleación del vacío del Higgs inducida por los agujeros negros primordiales descrita en Philipp Burda, Ruth Gregory, Ian Moss, “The fate of the Higgs vacuum,” JHEP 2016: 25 (2016), doi: 10.1007/JHEP06(2016)025arXiv:1601.02152 [hep-th]. Según estos autores los PHBs provocarían una inestabilidad primordial del campo de Higgs que contradice nuestra propia existencia.

[PS 29 Mar 2018] Se ha publicado una dura crítica a la idea de Espinosa et al. La producción de agujeros negros primordiales por inestabilidad preinflacionaria del campo de Higgs afecta a su homogenidad postinflacinaria; se requiere un acoplamiento no mínimo |ξH| < 0,01 del Higgs con la gravedad, algo muy excepcional (su probabilidad es inferior a (1/2)exp (120)) que requiere recurrir al principio antrópico. Por tanto, la propuesta resulta poco razonable. El artículo es Christian Gross, Antonello Polosa, …, Wei Xue, “Dark Matter in the Standard Model?” arXiv:1803.10242 [hep-ph] [/PS].

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Las estimaciones actuales de la masa del bosón W y del quark top (cima) indican que el campo de Higgs es inestable a una escala de energía ≳ 1011 GeV; por tanto, el vacío actual del Higgs seríaun falso vacío, existiendo un verdadero vacío por encima de dicha escala de energía. En el periodo preinflacionario (antes de la inflación cósmica) el campo de Higgs estaría en dicho vacío primordial. Sus fluctuaciones cuánticas serían las semillas de los agujeros negros primordiales que hoy observaríamos como materia oscura.

Por supuesto, un estudio teórico de este tipo requiere el uso de un modelo inflacionario concreto. Espinosa y sus colegan han tratado de usar la menor cantidad de información inflacionaria posible, para que sus conclusiones sean lo más generales que sea posible. Habrá que esperar a que sus predicciones sean confirmadas con los diferentes modelos de inflación cósmica en liza. Asumiendo un potencial para el Higgs de 1012 GeV predicen PBHs con masa entre 1016 y 1018 gramos, y una inflación con unos 17 e-folds (la expansión cambia la escala del universo en unos e17 ≈ 25 × 106); recuerda que muchos modelos inflacionarios predicen entre 20 y 60 e-folds. Además, hay que estudiar en detalle cómo afecta el recalentamiento a estos PBHs.

En resumen, tenemos “comida” para los físicos y cosmológos teóricos que quieran estudiar en detalle la nueva idea. Si queréis mi opinión, creo que está bastante cogida con alfileres y que los futuros estudios acabarán descartándola. Sin embargo, espero estar equivocado. ¡Soñemos con que Espinosa obtenga un futuro Premio Nobel de Física por haber resuelto el misterio de la materia oscura! Recordad, soñar es gratis.

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Por cierto, como muestra esta figura, los agujeros negros primordiales de Espinosa et al serían suficientes para explicar toda la materia oscura, sin necesidad de que cierto porcentaje esté formado por partículas WIMP de masa entre 0,1 y 1 TeV/c². Su fuente es Sofiane M. Boucenna, Florian Kuhnel, …, Luca Visinelli, “Novel Constraints on Mixed Dark-Matter Scenarios of Primordial Black Holes and WIMPs,” arXiv:1712.06383 [hep-ph].

 



14 Comentarios

    1. Lo primero a tener en cuenta es que la inflación cósmica ocurre instantes después de nacidos estos agujeros negros primordiales, literalmente no tuvieron tiempo de interactuar con nada antes de la brutal expansión inflacionaria.

      Luego, olvida por un momento lo que son, piensa sólo en sus masas y cómo están distribuidas en el universo. Por ejemplo: los asteroides con una masa similar a la del monte Everest, que son muchos, ¿se fusionan formando cuerpos más grandes? Pues a veces sí, la mayoría de veces no, porque el espacio es muy grande.

      A mí lo que me intriga es, con esa masa tan pequeña, ¿la radiación de Hawking no juega un rol importante aquí?

        1. Si se formaron tales miniagujeros negros con la masa de un asteroide, ¿porque no habrian podido formarse otros de menor masa que, de existir, estarian evaporandose en estos momentos?

          La idea en cualquier caso desde luego que es interesante.

        2. Gracias, Francis. No me refería a evaporación completa sino parcial, una pérdida de masa suficientemente relevante para que los modelos de materia oscura deban tenerla en cuenta y, por tanto, quizás poder así comprobar o no esta propuesta.

          ¿Ha habido tiempo suficiente para una pérdida tal, o las temperaturas del CMB durante todo este tiempo vuelven despreciable la radiación de Hawking para agujeros negros de esa masa?

  1. Felicitaciones por esta entrada en particular y por el seguimiento que haces de esta búsqueda en general. Una parte que no termino de entender es la metodología de los límites de exclusión. ¿Es observacional, es computacional, es teórica? (Me atrae la relación entre ciencia y metodología)

    1. Alex S, los límites de exclusión son observacionales. Por desgracia, toda observación debe ser interpretada (entendida mediante un modelo teórico), luego hay poca diferencia entre observacional, computacional y teórica (pura cuestión de gustos por el énfasis en el término).

  2. Estos PBH, o cualquier otra materia oscura:
    ¿Estarían más concentrados en galáxias con una velocidad de rotación excesiva para la materia observable?
    Si su distribución fuera uniforme ¿porqué no han comprimido la masa de nebulosas que no están en rotación?

    1. ¿Cabría la posibilidad de que casi toda la materia oscura estuviera concentrada a lo largo del eje de galáxias en rotación, quizá en los chorros relativistas de centros activos de galáxias?

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 26 marzo, 2018
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science
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