Se propone que impostores de agujeros negros con energía oscura en su interior explican la energía oscura cosmológica

Por Francisco R. Villatoro, el 16 febrero, 2023. Categoría(s): Astrofísica • Energía oscura • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 8

Los agujeros negros de tipo Kerr son soluciones de vacío de las ecuaciones de Einstein que tienen una singularidad en su interior y son asintóticamente planas; todos los agujeros negros observados en la Naturaleza son compatibles con esta solución matemática. Los impostores de agujeros negros son soluciones de las ecuaciones de Einstein sin singularidad, con materia exótica en su interior (por ejemplo, energía oscura con ecuación de estado p = −ρ). Hay impostores de agujeros negros que no son asintóticamente planos y tienden a una solución cosmológica de tipo Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW); en dicho caso su masa crece con el tamaño del universo observable. Se publica en Astrophysical Journal Letters que estos impostores de agujeros negros podrían explicar la contribución de la energía oscura en el modelo ΛCDM. La razón es que un artículo en Astrophysical Journal ha estimado que el cociente entre la masa de los agujeros negros supermasivos y la masa estelar de su galaxia parece haber crecido en un factor entre 8 y 20 desde z ∼ 2.7 hasta z = 0. La idea ha copado noticias en muchos medios, pero debemos ser muy cautos, pues no tiene ni pies ni cabeza. Como siempre, correlación no implica causalidad.

La singularidad de los agujeros negros molesta a algunos astrofísicos, que prefieren soluciones matemáticas regulares, sin singularidad. No les importa que estas soluciones requieran la existencia de formas exóticas de materia con ecuaciones de estado tan exóticas como p/ρ < 0 (un cociente entre presión y densidad negativo). Esgrimen a su favor que la métrica de Kerr es incompatible con la métrica FLRW en el infinito; olvidan (de forma intencionada) que los agujeros negros son los objetos astrofísicos más pequeños que existen, para una masa dada, y que para ellos el tamaño del universo es virtualmente infinito (y ya lo era desde el amanecer cósmico a z ∼ 25). Me resulta inconcebible que para z ∼ 2.7 los minúsculos agujeros negros supermasivos tengan una masa que dependa del tamaño del universo observable; aún así, en el nuevo artículo se propone la existencia de impostores de agujeros negros con una masa M(a) = M(a) (a/a)k, con k ∼ 3, donde a es el tamaño (o factor de escala) del universo observable y a es el tamaño a partir del cual los impostores se acoplan a la dinámica del universo. La propuesta no tiene ningún sentido y se apoya en que ciertas observaciones apuntan a un cociente MBH/M = (1+z)3.5±1.4 al 90 % C.L. (límite de confianza estadística), donde MBH es la masa de los agujeros negros supermasivos y M es la masa estelar de su galaxia. De hecho, usando dichos datos se estima k = 3.11+1.19−1.33 al 90 % C.L. Todo un salto al vacío que ha generado cierto eco mediático.

En mi opinión no se debe engañar al público general llamando agujeros negros a los impostores de agujeros negros, a pesar de que así se haga en artículos científicos en revistas como ApJ y ApJL. Además, se debe aclarar que hay un círculo vicioso cuando se explica la energía oscura cosmológica usando objetos que contienen energía oscura en su interior; explicar lo desconocido (el origen de la energía oscura) escondiéndolo bajo la alfombra (encerrándolo en un lugar tan insondable como el interior del horizonte de un impostor de agujero negro) no me parece un progreso científico significativo. Los artículos son Duncan Farrah, Kevin S. Croker, …, Chris Pearson, «Observational Evidence for Cosmological Coupling of Black Holes and its Implications for an Astrophysical Source of Dark Energy,» The Astrophysical Journal Letters 944: L31 (15 Feb 2023), doi: https://doi.org/10.3847/2041-8213/acb704, y Duncan Farrah, Sara Petty, …, Andreas Efstathiou, «A Preferential Growth Channel for Supermassive Black Holes in Elliptical Galaxies at z ≲ 2,» The Astrophysical Journal 943: 133 (02 Feb 2023), doi: https://doi.org/10.3847/1538-4357/acac2e. Hay cientos de artículos sobre impostores de agujeros negros y decenas con energía oscura (materia exótica con p = −ρ) en su interior; abajo he tomado una figura de Irina Dymnikova, Evgeny Galaktionov, «Regular rotating de Sitter–Kerr black holes and solitons,» Classical and Quantum Gravity 33: 145010 (21 Jun 2016), doi: https://doi.org/10.1088/0264-9381/33/14/145010.

Si prefieres una opinión optimista sobre estos artículos te recomiendo las notas de prensa: Univ. Hawaii at Manoa, «First observational evidence linking black holes to dark energy,» EurekAlert!, 15 Feb 2023; Hayley Dunning, «Scientists find first evidence that black holes are the source of dark energy,» Imperial College London, 15 Feb 2023. En español puedes leer a Guillermo Carvajal, «Científicos hallan la primera prueba de que los agujeros negros son la fuente de la energía oscura», La Brújula Verde, 15 feb 2023.

[PS 19 Feb 2023] Recomiendo el artículo de divulgación (que incluye opiniones críticas de algunos expertos) de Adrian Cho, “Is dark matter made of black holes? Observations of compact little galaxies challenge fanciful idea,” Science, 09 Feb 2023. [/PS]

Una de las grandes ventajas de las ecuaciones de Einstein para la gravitación en la teoría general de la relatividad es que se pueden cortar y pegar soluciones para construir nuevas soluciones. El único problema es que el tensor de energía-momento compatible con este corta y pega suele ser incompatible con la física conocida (en relatividad se dice que incumple con las condiciones de la energía). Si nos gusta que un agujero negro en rotación de tipo Kerr tenga una singularidad interior, basta poner en su interior una solución regular (por ejemplo, una métrica cosmológica de tipo de Sitter); obviamente, el tensor de energía-momento resultante nos informará de que en dicha región debe existir una materia exótica desconocida y que casi con toda seguridad no existe. Pero por lo demás, si dicha solución es robusta ante pequeñas perturbaciones, desde un punto de vista matemático, se trata de una solución matemática tan válida como cualquier otra solución físicamente realista. Este tipo de soluciones se suelen llamar impostores de agujeros negros, porque no son soluciones de vacío de las ecuaciones de Einstein; recuerda, las soluciones de tipo agujero negro son soluciones de tipo solitón de las ecuaciones de Einstein para el espaciotiempo vacío, con un tensor de energía-momento nulo. Todas las soluciones de tipo impostor de agujero negro (que se suelen llamar agujero negro regular) son soluciones con un tensor de energía-momento no nulo (que además es exótico, incumpliendo las condiciones de la energía que impone la censura cósmica).

El artículo en ApJL se apoya en resultados observacionales estudiados en el artículo en ApJ, en concreto, en una nueva estimación del cociente MBH/M para galaxias con z < 2 de dos catálogos (WISE y COSMOS). Como puedes observar en esta figura, las observaciones en el plano MBH versus M son muy dispersas; el ajuste usual mediante una línea recta (línea a trazos) es bastante pobre. Pero el nuevo ajuste mediante una ley de potencias (la línea negra con banda en gris) también es bastante discutible (máxime cuando además se ha sesgado el resultado seleccionando un subconjunto de los dos catálogos estudiados). En mi opinión no se puede afirmar que estos datos apoyen que MBH/M = (1+z)3.5±1.4 al 90 % C.L. Y, por tanto, no solo cae este artículo sino también el que se apoya en esto para explicar la energía oscura.

El artículo en ApJL propone que los impostores a agujeros negros supermasivos con masa dependiente del tamaño del universo siguiendo una ley de potencia con k ∼ 3 permiten explicar la contribución de la energía oscura (ΩΛ = 0.68) a la densidad total del universo (Ω=1). Se apoyan en unas simulaciones muy sencillas (rayando cálculos de servilleta) que requieren que haya una densidad suficiente de impostores de agujeros negros. Para ello, la tasa de formación de estrellas (SFRD) debe ser suficiente; esta figura muestra que para z < 5, la tasa observada es compatible con la necesaria; para z > 5, la región compatible con la nueva especulación es tan amplia (la gran región verde de la derecha) que no supone ningún problema. Podría parecer que, gracias a ello, esta especulación está bien apoyada por las observaciones. Pero hay que recordar que no se conoce ningún mecanismo físico que permita que el colapso de una estrella muy masiva conduzca a la aparición de un impostor de agujero negro con un interior de energía oscura (p/ρ < 0).

En resumen, se propone explicar la energía oscura con agujeros negros de energía oscura; para ello se combinan análisis de observaciones astrofísicas con una especulación científica salvaje, para que parezca que dicha especulación aparente ser una hipótesis razonable. Pero nadie debe engañarse con esta combinación sin sentido entre teoría y observaciones; en mi opinión estamos ante un claro ejemplo de que correlación no implica causalidad en el campo de la física teórica. De hecho, estamos ante una supuesta correlación, pues los indicios a su favor son bastante pobres. Para mí, que se apoye a una hipótesis teórica sin sentido es lo más grave. Y, repito, todo ello para explicar toda la energía oscura usando energía oscura en el interior de los agujeros negros (si al menos propusieran explicar la energía oscura sin energía oscura…). Siento ser pesimista sobre este tipo de especulaciones muy del agrado de los medios generalistas; pero no creo que esta tenga mucho recorrido científico en los próximos años.



8 Comentarios

  1. Dices: «…donde a es el tamaño (o factor de escala) del universo observable…»

    Creo que el factor de escala a no es directamente proporcional al tamaño del (radio del) universo observable. Por ejemplo, en un universo estático (sin expansión), el factor de escala es constante en el tiempo, mientras que el radio del universo observable crece a la velocidad de la luz.

  2. Gracias por aclararlo, porque ya le estaba también dando vueltas a la implicación que tendría esto en la evolución futura del Universo -si esos pseudoagujeros negros están creciendo acabarían por dominar el Universo, y no parece que fueran a evaporarse por radiación Hawking-.

  3. Una duda Francis, cuando dices «Esgrimen a su favor que la métrica de Kerr es incompatible con la métrica FLRW en el infinito», entiendo que se refieren a que la métrica de Kerr rompería, según ellos, con la isometría u homogeneidad del universo vista desde la perspectiva de FLRW ¿es así? Me sorprende esa lógica, pues entonces, ¿qué pasa con los cúmulos galácticos, por ejemplo? , ¿no serían también incompatibles?

    1. Pedro, las soluciones exactas de tipo agujero negro se encuentran en un espaciotiempo plano; esto no supone ningún problema. Sin embargo, desde hace un siglo se han buscado soluciones de tipo agujero negro en métricas cosmológicas (como FLRW, es decir, de Sitter); pero todas requieren materia exótica. Las distribuciones de masa no singulares (por ejemplo, cúmulos galácticos) se pueden construir en una métrica cosmológica sin ningún problema. No hay ninguna incompatibilidad.

    2. – a qué te refieres con «soluciones de vacío»?
      – qué significa la igualdad «p = −ρ» ?
      – cual es la solución FLRW?
      Y así, muchas preguntas más.
      Vamos Francis, haz fácil lo difícil como dices en tu bio de Twitter. Explica algo alguna vez.

      1. Gastón Peralta, (1) las soluciones de tipo agujero negro son soluciones de las ecuaciones de Einstein con tensor de energía-momento nulo, es decir, Gμν = 0 (donde las ecuaciones completas son Gμν = κ Tμν); (2) p es la presión y ρ es la densidad, siendo la ecuación de estado de la energía oscura p = −ρ, o bien p/ρ = −1 (lo que sustituido en en Tμν implica que la energía oscura antigravita, a diferencia de la materia y la energía, que gravitan); (3) FLRW son las siglas de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, siendo la métrica o solución FLRW la solución cosmológica de las ecuaciones de Einstein en el modelo cosmológico de consenso; y (4) pregunta y se te contestará. Pero, cuidado, en este blog se pretende motivar a los lectores a leer artículos científicos y a buscar información adicional en la web; si no pretendes ni lo primero, ni lo segundo, entonces este blog no es para ti. Lo siento. Por fortuna hay cientos de blogs sobre física con un público objetivo diferente que seguro que satisfarán tu curiosidad por saber.

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