Los agujeros negros se forman cuando una estrella masiva colapsa o cuando se fusionan objetos pesados. Sin embargo, los científicos sospechan que los agujeros negros «primordiales» más pequeños, incluidos algunos con masas similares a la de la Tierra, pueden haberse formado en los primeros momentos caóticos del Universo temprano. Cuando pensamos en agujeros negros, tendemos a imaginar enormes monstruos cósmicos, como agujeros negros de masa estelar con masas de decenas a cientos de veces la masa del Sol. Incluso podemos imaginar agujeros negros supermasivos, con millones (o incluso miles de millones) de veces la masa del Sol, ubicados en el corazón de las galaxias y dominando su entorno. Un equipo de científicos ha predicho que el telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA podría detectar una clase de agujeros negros «ligeros» que hasta ahora han eludido la detección.
Sin embargo, los científicos sugieren que el Universo también puede estar poblado por agujeros negros mucho menos masivos y relativamente ligeros, con una masa alrededor de la Tierra. Estos agujeros negros podrían tener potencialmente una masa igual a la de un asteroide grande. Los científicos también sugieren que estos agujeros negros podrían haber existido desde el principio de los tiempos, hace unos 13.800 millones de años. Acertadamente llamados “agujeros negros primordiales”, estos agujeros negros siguen siendo puramente teóricos, pero Roman, cuyo lanzamiento está previsto para finales de 2026, podría cambiar eso.
«Descubrir una población de agujeros negros primordiales con masa terrestre sería un avance increíble tanto para la astronomía como para la física de partículas, ya que estos objetos no pueden formarse mediante ningún proceso físico conocido», dijo William DeRocco, becario postdoctoral en la Universidad de California, Santa Claus Kruse, quien dirigió la investigación sobre cómo Roman podría descubrirlos. En la revista Physical Review D se publicó un artículo que describe los resultados. «Si los encontramos, revolucionará el campo de la física teórica».
Stephen Hawking sugirió que los agujeros negros podrían reducirse lentamente a medida que se escapa la radiación. La lenta fuga de lo que ahora se conoce como radiación de Hawking eventualmente hará que el agujero negro simplemente se evapore. Esta infografía muestra la vida útil estimada y el horizonte de sucesos (el punto después del cual los objetos que caen no pueden escapar del control gravitacional de un agujero negro) y los diámetros de varios agujeros negros de baja masa. Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA
Los agujeros negros más pequeños cuya existencia jamás se ha confirmado son los agujeros negros de masa estelar, que se crean cuando las estrellas masivas se quedan sin el combustible necesario para la fusión nuclear en sus núcleos. Una vez que se detiene esta fusión, estas estrellas colapsan bajo su propia gravedad. Normalmente, la masa mínima necesaria para que una estrella deje atrás un agujero negro de masa estelar es ocho veces la masa del Sol; si es más ligera, la estrella terminará su vida como estrella de neutrones o como enana blanca humeante.
Sin embargo, las condiciones en el Universo al comienzo de su existencia eran muy diferentes a las condiciones de la era moderna. Cuando el espacio era caliente, denso y turbulento, podía permitir que grupos de materia mucho más pequeños colapsaran y dieran origen a agujeros negros.
Pero se requiere una masa mínima: al menos ocho veces la masa de nuestro Sol. Las estrellas más ligeras se convertirán en enanas blancas o en estrellas de neutrones.
El concepto de este artista es un enfoque caprichoso para representar pequeños agujeros negros primordiales. En realidad, sería difícil para agujeros negros tan pequeños formar los discos de acreción que los hacen visibles aquí. Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA
Sin embargo, las condiciones del Universo primitivo pueden haber permitido la formación de agujeros negros mucho más ligeros. Uno de ellos, que pesaría tanto como la Tierra, tendría un horizonte de sucesos (el punto sin retorno de los objetos que caen) aproximadamente del ancho de una moneda estadounidense de 10 centavos.
Los científicos creen que cuando el universo apenas comenzaba, pasó por una fase corta pero intensa conocida como inflación, cuando el espacio se expandió más rápido que la velocidad de la luz. En estas condiciones especiales, regiones que eran más densas que sus alrededores podrían colapsar, formando agujeros negros primordiales de baja masa.
Aunque la teoría predice que los más pequeños deberían evaporarse antes de que el universo alcance su edad actual, aquellos con masas cercanas a la de la Tierra podrían sobrevivir.
El descubrimiento de estos pequeños objetos tendrá un enorme impacto en la física y la astronomía.
«Esto afectaría todo, desde la formación de galaxias hasta el contenido de materia oscura del universo y la historia cósmica», dijo Kailash Sahu, astrónomo del Instituto Científico del Telescopio Espacial en Baltimore que no participó en el estudio. «Confirmar su identidad será un trabajo duro y los astrónomos necesitarán mucha evidencia contundente, pero valdrá la pena».
El diagrama muestra un agujero negro primordial que provoca lentes gravitacionales, revelando su existencia al telescopio espacial romano. Robert Lee
La relatividad general predice que todos los objetos con masa hacen que la estructura misma del espacio y el tiempo se doble en una única entidad de cuatro dimensiones llamada «espaciotiempo». Cuando la luz de una fuente de fondo pasa a través de la deformación, su trayectoria se desvía. Cuanto más cerca pasa la luz del objeto lente, más se desvía su trayectoria. Esto significa que la luz de un mismo objeto puede llegar al telescopio en momentos diferentes. Esto se llama lentes gravitacionales.
Cuando el objeto de la lente es increíblemente masivo, como una galaxia, la fuente de fondo puede cambiar a una posición aparente o incluso aparecer en varios lugares de la misma imagen. Si el objeto de lente tiene una masa más pequeña, como el agujero negro primordial, el efecto de lente es menor, pero puede hacer que las fuentes de fondo que se pueden detectar aumenten en brillo. Este es un efecto llamado microlente.
La microlente se utiliza ahora con gran éxito para detectar planetas rebeldes o mundos que se desplazan a través de la Vía Láctea sin una estrella madre. Esto reveló una gran población de marginados aproximadamente del tamaño de la Tierra, más de lo que predicen teóricamente los modelos. Los científicos predicen que con este modelo, Roman aumentará las detecciones de masas terrestres rebeldes en un factor de diez.
La abundancia de estos objetos ha llevado a especular que algunos de estos objetos con masa terrestre pueden ser en realidad agujeros negros primordiales. «Es imposible distinguir entre agujeros negros con la masa de la Tierra y planetas rebeldes caso por caso», dijo DeRocco. «La novela será un medio extremadamente poderoso para distinguir estadísticamente estos dos objetos».
La ilustración muestra el telescopio espacial romano Nancy Grace rodeado de agujeros negros primordiales. Robert Lee/NASA
La microlente es un efecto de observación que se produce porque la presencia de masa deforma el tejido del espacio-tiempo, de forma muy parecida a la huella dejada por una bola de bolos colocada en un trampolín. Cada vez que, desde nuestra perspectiva, un objeto intermedio parece estar a la deriva cerca de una estrella de fondo, la luz de la estrella debe atravesar el espacio-tiempo curvo alrededor del objeto. Si la alineación es particularmente cercana, el objeto puede actuar como una lente natural, enfocando y amplificando la luz de la estrella de fondo.
Equipos separados de astrónomos que utilizan datos de MOA (Microlens Observations in Astrophysics), una colaboración que realiza observaciones con microlentes utilizando el Observatorio de la Universidad Mount John en Nueva Zelanda, y OGLE (Experimento de lentes óptico-gravitacionales), han descubierto una población inesperadamente grande de objetos aislados. con masa igual a la masa de la Tierra.
Las teorías sobre la formación y evolución de los planetas predicen ciertas masas y abundancias de planetas rebeldes: mundos que deambulan por la galaxia, desvinculados de una estrella. Las observaciones de MOA y OGLE sugieren que hay más objetos ligeros a la deriva a través de la galaxia de lo que predicen los modelos.
«Es imposible distinguir entre agujeros negros con la masa de la Tierra y planetas rebeldes caso por caso», dijo DeRocco. Pero los científicos esperan que Roman encuentre 10 veces más objetos en este rango de masa que los telescopios terrestres. «Roman será extremadamente poderoso a la hora de distinguir estadísticamente entre estos dos objetos».
DeRocco lideró el esfuerzo para determinar cuántos planetas rebeldes debería haber en este rango de masa y cuántos agujeros negros primordiales pudo discernir Roman entre ellos.
Encontrar agujeros negros primordiales proporcionaría nueva información sobre el Universo temprano y proporcionaría evidencia sólida de que realmente ocurrió un período temprano de inflación. También podría explicar un pequeño porcentaje de la misteriosa materia oscura que, según los científicos, constituye la mayor parte de la masa de nuestro universo, pero que hasta ahora no han podido identificar.
«Este es un ejemplo interesante de lo que los científicos podrían hacer con los datos que Roman ya adquirirá mientras busca planetas», dijo Sahu. “Y los resultados son interesantes, independientemente de si los científicos encuentran evidencia de agujeros negros con la masa de la Tierra. De cualquier manera, fortalecerá nuestra comprensión del universo».
El Telescopio Espacial Romano Nancy Grace se opera en el Centro de Vuelo Espacial Goddard en Greenbelt, Maryland, con contribuciones del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y Caltech/IPAC en el sur de California, el Instituto Científico del Telescopio Espacial en Baltimore y un equipo científico formado por científicos. de diversas instituciones de investigación. Los principales socios industriales incluyen BAE Systems, Inc en Boulder, Colorado; L3Harris Technologies en Rochester, Nueva York; y Teledyne Scientific & Imaging en Thousand Oaks, California.
