Por qué los agujeros negros pueden constituir toda la materia oscura

La materia oscura es la materia misteriosa que los cosmólogos creen que llena nuestro Universo. La evidencia de su existencia es que no hay suficiente masa visible para mantener unidas a las galaxias. Pero dado que las galaxias evidentemente no se separan, debe haber algo invisible, alguna masa faltante, que genera las fuerzas gravitacionales que las mantienen unidas.

Pero hay un problema con esta idea. Dos de ellos en realidad. Primero, la mejor suposición de los físicos sobre las leyes de la física proporciona una buena descripción de todas las partículas que han descubierto hasta ahora y algunas que esperan descubrir pronto. El problema es que ninguna de estas partículas tiene las propiedades adecuadas para ser materia oscura, es decir, eléctricamente neutra, de larga duración y de movimiento lento. Pero ninguna de las partículas conocidas o razonablemente hipotetizadas encaja a la perfección. Para dejar espacio para una partícula de materia oscura, las leyes de la física deben cambiarse de una manera que incomode a muchos teóricos.

En segundo lugar, a pesar de una década dedicada a la búsqueda de materia oscura con experimentos que cuestan decenas de millones de dólares, nadie ha visto el material. La mayoría de los físicos piensan que estos experimentos no han encontrado nada: zip, zilch, zero.

Es difícil escapar a la conclusión de que se necesita alguna otra explicación para la masa faltante.

Entran Paul Frampton de la Universidad de Carolina del Norte y algunos amigos. La sugerencia de Frampton es que la masa faltante está formada por agujeros negros que son demasiado pequeños para verlos directamente pero demasiado grandes para haberse evaporado debido a la radiación de Hawking.

Pero esta idea es más que otra conjetura descabellada. Frampton y sus amigos tienen un argumento interesante basado en la entropía para respaldar su afirmación. Dice así.

Primero, determinan cuál podría ser la entropía máxima del Universo imaginando que todo el universo visible era un agujero negro gigante. La respuesta resulta ser 10 ^ 123, un número muy grande. Así que ese es el límite superior de lo que puede ser la entropía.

A continuación, calculan un límite inferior sumando la entropía de todos los agujeros negros conocidos del universo. Resuelven esto asumiendo que hay un agujero negro gigante en el centro de cada galaxia, una visión que los astrofísicos tienen cada vez más comúnmente.

Eso da el número 10 ^ 103, muchos órdenes de magnitud más bajo.

Esta es una gran cantidad de entropía, sin duda, pero Frampton y compañía, por lo que es poco probable que sea el principal contribuyente en nuestro universo. Cada agujero negro supermasivo tiene aproximadamente el tamaño de nuestro sistema solar o más pequeño y es intuitivamente improbable que esencialmente toda la entropía esté tan concentrada, dice. Entonces, algo más debe estar generando entropía en alguna parte.

No puede ser materia visible ya que los cálculos convencionales indican que su entropía suma solo 10 ^ 88. Lo que queda es la entropía de la masa oscura que falta.

¿Qué tipo de agujeros negros podrían ser responsables de esto? Resulta que cualquier agujero negro de más de 10 ^ 6 masas solares haría que la materia cercana entrara en espiral, evitando la formación de galaxias. Cualquier cosa menor a 10 ^ -8 masas solares se habría evaporado.

Entonces, la conclusión es que la materia oscura está formada por agujeros negros con una masa de entre 10 ^ 6 y 10 ^ -8 masas solares.

Pero también hay un problema con esta idea. ¿Cómo pudieron estos agujeros negros haberse formado en cantidades tan grandes al principio del Universo? Algo debe haber causado que la materia se aglomere a esta escala para formar los agujeros negros. Pero no hay nada que indique cómo podría haber sucedido esto en la presente teoría de la inflación, que describe cómo creció el Universo primitivo.

Esto se resuelve fácilmente, digamos Frampton y compañía: debe haber habido dos períodos de inflación. El primero condujo a la estructura a gran escala del Universo que vemos y ha sido medido por naves espaciales como WMAP. El segundo condujo a la aglomeración que creó un gran número de agujeros negros primordiales de tamaño mediano.

Esa es una explicación que es un poco más fácil de digerir que una en la que las leyes de la física deben cambiar para crear nuevas partículas de materia oscura. Pero solo justo.

Sin embargo, las ideas de Frampton pueden probarse mejor buscando evidencia de estos agujeros negros primordiales, que deberían causar eventos de microlentes: es decir, su gravedad debería enfocar la luz de las estrellas detrás de ellos como se ve desde la Tierra.

Este tipo de mediciones es cada vez más fácil de realizar, por lo que debería ser posible aceptar o rechazar las ideas de Frampton en un futuro no muy lejano.

Refs:

arxiv.org/abs/1003.3356 : Los agujeros negros constituyen toda la materia oscura

arxiv.org/abs/1001.2308 : Agujeros negros primordiales como toda materia oscura

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