¿La materia oscura está hecha de agujeros negros?

Los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo han detectado una población de agujeros negros masivos cuyo origen es uno de los mayores misterios de la astronomía moderna. Según una hipótesis, estos objetos se formarían n el universo primitivo y podrían constituir la materia oscura, una sustancia escurridiza que llena el cosmos.

Por la Universidad de Varsovia

Recreación artística de un evento de microlente causado por un agujero negro observado desde la Tierra hacia la Gran Nube de Magallanes. La luz de una estrella de fondo ubicada en esta galaxia enana es curvada por un supuesto agujero negro primordial (lente) en el halo galáctico y magnificada cuando se observa desde la Tierra. Crédito: J. Skowron / OGLE. Background image of the Large Magellanic Cloud: generated with bsrender written by Kevin Loch, using the ESA/Gaia database

Los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo han detectado una población de agujeros negros masivos cuyo origen es uno de los mayores enigmas de la astronomía moderna. Según una hipótesis, estos objetos se originaron en el universo primitivo y podrían componer la materia oscura, una forma de materia que no emite ni refleja suficiente radiación electromagnética para ser detectada directamente con los métodos tradicionales de observación astronómica y que se sabe que impregna el cosmos.

Un equipo de científicos del Experimento de Lente Óptica Gravitacional (OGLE, por su sigla en inglés) —un proyecto astronómico polaco que está dedicado principalmente al descubrimiento de materia oscura, usando la técnica de microlente gravitatoria— ha anunciado los resultados de observaciones realizadas durante casi dos décadas que indican que estos agujeros negros masivos pueden comprender como máximo un pequeño porcentaje de la materia oscura. Por lo tanto, se necesita otra explicación para las fuentes de ondas gravitacionales, según concluyen los autores de dos estudios publicados en la revista Nature y en el Astrophysical Journal Supplement.

En la Vía Láctea, por cada kilo de materia ordinaria en las estrellas hay 15 kilos de materia oscura

Diversas observaciones astronómicas indican que la materia ordinaria, esto es, la que podemos ver o tocar, solo constituye el 5% del total de masa y energía del universo. En la Vía Láctea, por cada kilo de materia ordinaria en las estrellas hay 15 kilos de materia oscura, que no emite ninguna luz e interactúa únicamente mediante su atracción gravitatoria.

"La naturaleza de la materia oscura sigue siendo un misterio. La mayoría de los científicos piensa que está compuesta por partículas elementales desconocidas —afirma Przemek Mróz, del Observatorio Astronómico de la Universidad de Varsovia (Polonia) y autor principal de ambos artículos. Y añade—: Por desgracia, a pesar de décadas de esfuerzos, ningún experimento, incluidos los realizados con el gran colisionador de hadrones [el acelerador de partículas más grande y de mayor energía que existe, que se halla debajo de la frontera entre Francia y Suiza, cerca de Ginebra], ha encontrado nuevas partículas que pudieran ser responsables de la materia oscura".

Perturbaciones en el tejido del espacio-tiempo que se propagan a la velocidad de la luz

Desde la primera detección de ondas gravitacionales de un par de agujeros negros en fusión en 2015, los experimentos LIGO y Virgo han detectado más de noventa eventos de este tipo. Los astrónomos notaron que los agujeros negros detectados por LIGO y Virgo suelen ser significativamente más masivos —entre veinte y cien masas solares— que los conocidos anteriormente en la Vía Láctea, que iban de las cinco a las veinte masas solares.

Recordemos que las ondas gravitacionales son perturbaciones en el tejido del espacio-tiempo que se propagan a la velocidad de la luz. Fueron predichas por la teoría de la relatividad general de Einstein en 1915, y su existencia, como se ha avanzado, fue confirmada por primera vez en 2015 por el experimento LIGO y el observatorio Virgo.

Estas ondas son generadas por eventos cósmicos extremadamente violentos, como la fusión de agujeros negros o estrellas de neutrones, donde se produce una gran cantidad de energía en forma de ondas gravitacionales que se propagan por el espacio. A diferencia de las electromagnéticas, como la luz, las ondas gravitacionales no son bloqueadas por materia y pueden viajar a través del universo sin ser atenuadas.

"Explicar por qué estas dos poblaciones de agujeros negros son tan diferentes es uno de los mayores misterios de la astronomía actual", dice Mróz.

Impresión artística de la Gran Nube de Magallanes fotografiada por objetos masivos en el halo de la Vía Láctea. Crédito: J. Skowron / OGLE

Una posible explicación sostiene que los detectores LIGO y Virgo han descubierto una población de agujeros negros primordiales que pudieron haberse formado en el universo primitivo. Su existencia fue propuesta por primera vez hace más de medio siglo por el famoso físico teórico británico Stephen Hawking y, de forma independiente, por el físico soviético Yakov Zeldovich.

"Sabemos que el universo primitivo no era idealmente homogéneo: pequeñas fluctuaciones de densidad dieron lugar a las galaxias y cúmulos de galaxias actuales —explica Mróz. Y continúa—: Fluctuaciones de densidad similares, si superan un contraste de densidad crítico, pueden colapsar y formar agujeros negros".

Desde la primera detección de ondas gravitacionales, cada vez más científicos han estado especulando que estos agujeros negros primordiales pueden atesorar una fracción significativa, si no toda, de la materia oscura.

Existen grandes cantidades de materia oscura en la Vía Láctea

Afortunadamente, esta hipótesis se puede verificar con observaciones astronómicas. Observamos que existen grandes cantidades de materia oscura en la Vía Láctea. Si estuviera compuesta de agujeros negros, deberíamos ser capaces de detectarlos en nuestro vecindario cósmico. ¿Es esto posible, dado que los agujeros negros no emiten ninguna luz detectable?

De acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein, la luz puede ser doblada y desviada en el campo gravitacional de los objetos masivos, un fenómeno llamado microlente gravitacional.

"La microlente se produce cuando tres objetos —un observador en la Tierra, una fuente de luz y una lente— se alinean prácticamente de manera ideal en el espacio —dice el profesor Andrzej Udalski, investigador principal del exprimento OGLE. Y añade—: Durante un evento de microlente, la luz de la fuente puede ser desviada y magnificada, y observamos un brillo temporal de la luz de la fuente".

Los brillos causados por agujeros negros cien veces más masivos que el Sol durarían varios años

La duración del brillo depende de la masa del objeto: a mayor masa, mayor duración. Los fenómenos de microlente provocados por objetos de masa solar suelen durar varias semanas, mientras que los causados por agujeros negros cien veces más masivos que el Sol durarían varios años.

La idea de utilizar la microlente gravitacional para estudiar la materia oscura no es nueva. Fue propuesta por primera vez en la década de 1980 por el astrofísico polaco Bohdan Paczyński. Su idea inspiró el inicio de tres grandes experimentos: el polaco OGLE, el estadounidense MACHO y el francés EROS.

Los primeros resultados de estos experimentos demostraron que los agujeros negros menos masivos que una masa solar pueden constituir menos del 10% de la materia oscura. Sin embargo, estas observaciones no eran sensibles a los fenómenos de microlente de escala temporal extremadamente larga y, por tanto, no eran sensibles a los agujeros negros masivos, similares a los detectados recientemente con los detectores de ondas gravitacionales.

Monitorizadas casi 80 millones de estrellas de la Gran Nube de Magallanes

En el nuevo artículo publicado en la serie Astrophysical Journal Supplement, los astrónomos del OGLE presentan los resultados de casi veinte años de monitoreo fotométrico de casi 80 millones de estrellas ubicadas en una galaxia cercana, la conocida como Gran Nube de Magallanes, y las búsquedas de eventos de microlente gravitacional. Los datos analizados se recogieron durante la tercera y cuarta fase del proyecto OGLE, de 2001 a 2020.

"Este conjunto de datos proporciona las observaciones fotométricas más largas, más grandes y más precisas de estrellas en la Gran Nube de Magallanes en la historia de la astronomía moderna", dice el profesor Udalski.

Interesante imagen de la Gran Nube de Magallanes, una de nuestras vecinas galácticas más cercanas, captada por el telescopio VISTA de la ESO. Crédito: ESO/VMC Survey

El segundo artículo, publicado en Nature, analiza las consecuencias astrofísicas de los hallazgos.

"Si toda la materia oscura de la Vía Láctea estuviera compuesta por agujeros negros de diez masas solares, deberíamos haber detectado 258 eventos de microlente —comenta Mróz. Y añade—: Para cien agujeros negros de masa solar, esperábamos 99 eventos de microlente, y para mil agujeros negros de masa solar, veintisiete eventos de microlente".

En contraste, los astrónomos de OGLE han encontrado solo trece eventos de microlente. Su análisis detallado demuestra que todos ellos pueden explicarse por las poblaciones estelares conocidas en la Vía Láctea o en la propia Gran Nube de Magallanes, no por los agujeros negros.

Los agujeros negros de diez masas solares pueden comprender como máximo el 1,2% de la materia oscura; y los de mil, el 11%

"Eso indica que los agujeros negros masivos pueden componer como máximo un pequeño porcentaje de materia oscura", dice Mróz.

Los cálculos detallados demuestran que los agujeros negros de diez masas solares pueden comprender como máximo el 1,2% de la materia oscura,; los de cien masas solares, el 3,0%; y los de mil, el 11%.

"Nuestras observaciones indican que los agujeros negros primordiales no pueden comprender una fracción significativa de la materia oscura y, al mismo tiempo, explican las tasas de fusión de agujeros negros observadas medidas por LIGO y Virgo", explica el profesor Udalski.

Por lo tanto, se necesitan otras explicaciones para los agujeros negros masivos detectados por LIGO y Virgo. Según una hipótesis, se formaron como producto de la evolución de estrellas masivas de baja metalicidad. Otra posibilidad implica fusiones de objetos menos masivos en entornos estelares densos, como los cúmulos globulares.

«Nuestros resultados permanecerán en los libros de texto de astronomía durante las próximas décadas», concluye el profesor Udalski. ▪️

• Información facilitada por la Universidad de Varsovia -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones

• Fuentes:
  1. Przemek Mróz, Andrzej Udalski, Michał K. Szymański, Igor Soszyński, Łukasz Wyrzykowski, Paweł Pietrukowicz, Szymon Kozłowski, Radosław Poleski, Jan Skowron, Dorota Skowron, Krzysztof Ulaczyk, Mariusz Gromadzki, Krzysztof Rybicki, Patryk Iwanek, Marcin Wrona, and Milena Ratajczak. No massive black holes in the Milky Way halo. Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07704-6
  2. Przemek Mróz, Andrzej Udalski, Michał K. Szymański, Mateusz Kapusta, Igor Soszyński, Łukasz Wyrzykowski, Paweł Pietrukowicz, Szymon Kozłowski, Radosław Poleski, Jan Skowron, Dorota Skowron, Krzysztof Ulaczyk, Mariusz Gromadzki, Krzysztof Rybicki, Patryk Iwanek, Marcin Wrona, and Milena Ratajczak. Microlensing optical depth and event rate toward the Large Magellanic Cloud based on 20 years of OGLE observations. Astrophysical Journal Supplement Series (2024). DOI: 10.3847/1538-4365/ad452e