Un bamboleo de Marte podría ser señal de la presencia de materia oscura
Observar los cambios en la órbita del Planeta Rojo a lo largo del tiempo podría ser una nueva forma de detectar materia oscura pasajera.
Por Jennifer Chu / MIT News
Ilustración de un agujero negro primordial (a la izquierda) volando y bamboleando brevemente la órbita de Marte (a la derecha), con el Sol en el fondo. Los científicos del MIT dicen que tal bamboleo podría ser detectable por los instrumentos actuales. Crédito: Image by Benjamin Lehmann, using SpaceEngine @ Cosmographic Software LLC.
En un nuevo estudio, físicos del MIT proponen que si la mayor parte de la materia oscura del universo está formada por agujeros negros primordiales microscópicos —una idea propuesta por primera vez en la década de los setenta—, estos enanos gravitatorios deberían atravesar nuestro sistema solar al menos una vez por década. Los investigadores predicen que un sobrevuelo de este tipo introduciría un bamboleo en la órbita de Marte que la tecnología actual podría detectar.
Tal detección respaldaría la idea de que los agujeros negros primordiales son una fuente primaria de materia oscura en todo el universo.
«Gracias a décadas de telemetría de precisión, los científicos conocen la distancia entre la Tierra y Marte con una exactitud de unos 10 centímetros —afirma David Kaiser,profesor de Física y Catedrático Germeshausen de Historia de la Ciencia en el MIT, y autor del estudio. Y añade—: Estamos aprovechando esta región del espacio altamente instrumentada para intentar buscar un pequeño efecto. Si lo vemos, eso contaría como una verdadera razón para seguir persiguiendo esta deliciosa idea de que toda la materia oscura consiste en agujeros negros que se engendraron en menos de un segundo después del big bang y han estado circulando por el universo durante 14.000 millones de años».
Más allá de las partículas
Kaiser y sus colegas informan de sus hallazgos en la revista Physical Review D. Los coautores del estudio son el autor principal Tung Tran, que ahora es estudiante de posgrado en la Universidad de Stanford; Sarah Geller, que ahora es investigadora posdoctoral en la Universidad de California en Santa Cruz; y Benjamin Lehmann, becario del MIT.
Menos del 20% de toda la materia física está hecha de cosas visibles, desde estrellas y planetas hasta el fregadero de la cocina. El resto está compuesto de materia oscura, una forma hipotética de materia que es invisible en todo el espectro electromagnético, pero que se cree que impregna el universo y ejerce una fuerza gravitacional lo suficientemente grande como para afectar el movimiento de las estrellas y las galaxias.
Los físicos han instalado detectores en la Tierra para dar caza a la materia oscura y determinar sus propiedades. En su mayor parte, estos experimentos suponen que la materia oscura existe como una forma de partícula exótica que podría dispersarse y descomponerse en partículas observables al pasar por un experimento determinado. Pero hasta ahora, las búsquedas basadas en partículas no han dado ningún resultado.
Agujeros negros generados tras el colapso de densas bolsas de gas en el universo primitivo
En los últimos años, otra posibilidad, introducida por primera vez en 1974 por los físicos Stephen Hawking y Bernard Carr, ha vuelto a cobrar fuerza: en lugar de adoptar una forma de partícula, la materia oscura podría existir como agujeros negros microscópicos primordiales que se formaron en los primeros instantes tras el big bang.
A diferencia de los agujeros negros astrofísicos que se forman a partir del colapso de estrellas viejas, los agujeros negros primordiales se habrían formado a partir del colapso de densas bolsas de gas en el universo primitivo y se habrían dispersado por el cosmos a medida que el universo se expandía y enfriaba.
Una visualización de dos agujeros negros fusionándose. Crédito: Caltech/R. Hurt (IPAC))
Estos agujeros negros primordiales habrían colapsado una enorme cantidad de masa en un espacio minúsculo. La mayoría de estos agujeros negros primordiales podrían ser tan pequeños como un solo átomo y tan pesados como los asteroides más grandes. Sería concebible, por tanto, que esos diminutos gigantes pudieran ejercer una fuerza gravitatoria capaz de explicar al menos una parte de la materia oscura. Para el equipo del MIT, esta posibilidad suscitó una pregunta inicialmente frívola.
«Creo que alguien me preguntó qué pasaría si un agujero negro primordial atravesara un cuerpo humano —recuerda Tung, que hizo un rápido cálculo con lápiz y papel para descubrir que si un agujero negro de este tipo zumbara a menos de un metro de una persona, la fuerza del agujero negro empujaría a la persona 6 metros, o a unos 6 metros de distancia en un solo segundo. Tung también descubrió que era astronómicamente improbable que un agujero negro primordial pasara cerca de una persona en la Tierra.
Tras despertar su interés, los investigadores llevaron los cálculos de Tung un paso más allá, para estimar cómo podría afectar el sobrevuelo de un agujero negro a cuerpos mucho mayores, como la Tierra y la Luna.
Encuentros cercanos
«Extrapolamos para ver qué pasaría si un agujero negro volara cerca de la Tierra y causara que la Luna se tambaleara un poco —explica Tung. Y continúa—: Los números que obtuvimos no eran muy claros. Hay muchas otras dinámicas en el Sistema Solar que podrían actuar como algún tipo de fricción para hacer que el bamboleo se amortigüe».
Para obtener una imagen más clara, el equipo generó una simulación relativamente simple del Sistema Solar que incorpora las órbitas y las interacciones gravitacionales entre todos los planetas y algunas de las lunas más grandes.
«Las simulaciones de última generación del Sistema Solar incluyen más de un millón de objetos, cada uno de los cuales tiene un pequeño efecto residual —señala Lehmann. Y añade—: Pero incluso modelando dos docenas de objetos en una simulación cuidadosa, pudimos ver que había un efecto real en el que podíamos profundizar».
Una vez cada diez años
El equipo calculó la velocidad a la que un agujero negro primordial debería atravesar el sistema solar, basándose en la cantidad de materia oscura que se estima que reside en una región determinada del espacio y en la masa de un agujero negro que pasa, que en este caso, supusieron que era tan masivo como los asteroides más grandes de nuestro sistema solar, en consonancia con otras limitaciones astrofísicas.
«Los agujeros negros primordiales no viven en el Sistema Solar. Más bien, atraviesan el universo haciendo de las suyas —afirma Sarah Geller, coautora del estudio. Y añade—: Y lo más probable es que cruzan el Sistema Solar interior con cierto ángulo una vez cada diez años aproximadamente».
Teniendo en cuenta este ritmo, los investigadores simularon varios agujeros negros con masa de asteroide atravesando el Sistema Solar, desde varios ángulos y a velocidades de unos 240 kilómetros por segundo. Las direcciones y velocidades proceden de otros estudios sobre la distribución de la materia oscura por nuestra galaxia.
Un «bamboleo» a 225 millones de kilómetros de la Tierra
Se centraron en aquellos sobrevuelos que parecían ser «encuentros cercanos» o casos que causaban algún tipo de efecto en los objetos circundantes. Rápidamente descubrieron que cualquier efecto en la Tierra o la Luna era demasiado incierto como para atribuirlo a un agujero negro concreto. Pero Marte parecía ofrecer una imagen más clara.
Los investigadores descubrieron que si un agujero negro primordial pasara a unos pocos cientos de millones de kilómetros de Marte, el encuentro desencadenaría un bamboleo, esto es, una ligera desviación en la órbita de Marte. A los pocos años de tal encuentro, la órbita de Marte debería cambiar aproximadamente un metro, un bamboleo increíblemente pequeño, dado que el planeta está a más de 225 millones de kilómetros de la Tierra. Y, sin embargo, este bamboleo podría ser detectado por los diversos instrumentos de alta precisión que están monitoreando Marte en la actualidad.
Si se detectara tal bamboleo en las próximas dos décadas, los investigadores reconocen que aún se necesitaría mucho trabajo para confirmar que el empuje provino de un agujero negro que pasa en lugar de un asteroide común y corriente.
¿Qué pasaría si un agujero negro primordial atravesara un cuerpo humano? Esta fue la pregunta que desató la investigación sobre materia oscura realizada por científicos del MIT. Imagen generada con Copilot
Persecución de rocas espaciales
«Necesitamos tanta claridad como podamos de los antecedentes esperados, como las velocidades y distribuciones típicas de las rocas espaciales sosas, frente a estos agujeros negros primordiales —señala Kaiser. Y continúa—: Por suerte para nosotros, los astrónomos llevan décadas rastreando las rocas espaciales ordinarias a medida que atraviesan nuestro sistema solar, por lo que podríamos calcular las propiedades típicas de sus trayectorias y empezar a compararlas con los muy diferentes tipos de recorridos y velocidades que deberían seguir los agujeros negros primordiales».
Para ayudar en esta tarea, los investigadores están explorando la posibilidad de una nueva colaboración con un grupo que cuenta con amplia experiencia en la simulación de muchos más objetos del Sistema Solar.
«Ahora estamos trabajando para simular un enorme número de objetos, desde planetas a lunas y rocas, y cómo se mueven todos ellos en escalas de tiempo largas —explica Geller. Y añade—: Queremos inyectar escenarios de encuentros cercanos y observar sus efectos con mayor precisión».
«Es una prueba muy pulcra la que han propuesto, y podría decirnos si el agujero negro más cercano está más cerca de lo que creemos —sostiene Matt Caplan, profesor de Física en la Universidad Estatal de Illinois, que no participó en el estudio. Y puntualiza—: Debo subrayar que también hay un poco de suerte. Que una búsqueda encuentre o no una señal fuerte y clara depende de la trayectoria exacta que siga un agujero negro errante a través del sistema solar». Ahora que han comprobado esta idea con simulaciones, tienen que hacer la parte difícil: comprobar los datos reales». ▪️
Artículo publicado con la autorización de MIT News -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Tung X. Tran, Sarah R. Geller, Benjamin V. Lehmann, and David I. Kaiser. Close encounters of the primordial kind: A new observable for primordial black holes as dark matter. Physical Review D. (2024). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.110.063533
