Por cada kilo de materia ordinaria en las estrellas hay 15 kilos de materia oscura que no emite luz y solo podemos detectar por sus efectos gravitatorios, pero los agujeros negros por sí solos no pueden explicar la diferencia
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 pueden haberse formado en el Universo muy temprano y pueden componer la materia oscura, una sustancia misteriosa que llena el Universo. Un equipo de científicos del estudio OGLE (Experimento de Lente Gravitacional Óptico) del Observatorio Astronómico de la Universidad de Varsovia ha anunciado los resultados de casi 20 años de observaciones que indican que dichos agujeros negros masivos pueden componer como máximo unos pocos por ciento de la materia oscura. Por lo tanto, se necesita otra explicación para las fuentes de ondas gravitacionales. Los resultados del estudio se publicaron en dos artículos, en Nature y en el Astrophysical Journal Supplement Series.
Varias observaciones astronómicas indican que la materia ordinaria, que podemos ver o tocar, comprende solo el 5% del presupuesto total de masa y energía del Universo. En la Vía Láctea, por cada 1 kg de materia ordinaria en las estrellas, hay 15 kg de “materia oscura,” que no emite luz y solo interactúa a través de su atracción gravitatoria.
“La naturaleza de la materia oscura sigue siendo un misterio. La mayoría de los científicos creen que está compuesta por partículas elementales desconocidas,” dice el Dr. Przemek Mróz del Observatorio Astronómico, Universidad de Varsovia, autor principal de ambos artículos. “Desafortunadamente, a pesar de décadas de esfuerzos, ningún experimento (incluidos los experimentos realizados con el Gran Colisionador de Hadrones) ha encontrado nuevas partículas que puedan ser responsables de la materia oscura.”
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 90 eventos de este tipo. Los astrónomos notaron que los agujeros negros detectados por LIGO y Virgo son típicamente significativamente más masivos (20–100 masas solares) que los conocidos anteriormente en la Vía Láctea (5–20 masas solares).
“Explicar por qué estas dos poblaciones de agujeros negros son tan diferentes es uno de los mayores misterios de la astronomía moderna,” dice el Dr. Mróz.
Una posible explicación postula que los detectores LIGO y Virgo han descubierto una población de agujeros negros primordiales que pueden haberse formado en el Universo muy temprano. Su existencia fue propuesta por primera vez hace más de 50 años por el famoso físico teórico británico Stephen Hawking y, de forma independiente, por el físico soviético Yakov Zeldovich.
“Sabemos que el Universo temprano no era idealmente homogéneo – pequeñas fluctuaciones de densidad dieron lugar a las galaxias y los cúmulos de galaxias actuales,” dice el Dr. Mróz. “Fluctuaciones de densidad similares, si superan un contraste de densidad crítico, pueden colapsar y formar agujeros negros.”
Lentes de gravedad
Desde la primera detección de ondas gravitacionales, cada vez más científicos especulan con la posibilidad de que esos agujeros negros primordiales constituyan una fracción significativa, si no toda, de la materia oscura.
Afortunadamente, esta hipótesis puede verificarse con observaciones astronómicas. Observamos que en la Vía Láctea existen copiosas cantidades de materia oscura. Si estuviera compuesta por agujeros negros, deberíamos poder detectarlos en nuestro vecindario cósmico. ¿Es esto posible, dado que los agujeros negros no emiten ninguna luz detectable?
Según la teoría de la relatividad general de Einstein, la luz puede curvarse y desviarse en el campo gravitatorio de objetos masivos, un fenómeno denominado microlente gravitatoria.
«La microlente se produce cuando tres objetos -un observador en la Tierra, una fuente de luz y una lente- se alinean de forma prácticamente ideal en el espacio», explica Andrzej Udalski, investigador principal del estudio OGLE. «Durante un fenómeno de microlente, la luz de la fuente puede desviarse y magnificarse, y observamos un brillo temporal de la luz de la fuente».
La duración del brillo depende de la masa del objeto: a mayor masa, mayor duración del fenómeno. Los fenómenos de microlente provocados por objetos de masa solar suelen durar varias semanas, mientras que los provocados por agujeros negros 100 veces más masivos que el Sol durarían unos cuantos 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 famoso 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 por ciento de la materia oscura. Sin embargo, estas observaciones no eran sensibles a eventos de microlente de escala temporal extremadamente larga y, por tanto, no eran sensibles a agujeros negros masivos, similares a los detectados recientemente con detectores de ondas gravitacionales.
En el nuevo artículo de la Astrophysical Journal Supplement Series, los astrónomos del OGLE presentan los resultados de casi 20 años de seguimiento fotométrico de casi 80 millones de estrellas situadas en una galaxia cercana, llamada Gran Nube de Magallanes, y de las búsquedas de sucesos de microlente gravitacional. Los datos analizados se recogieron durante la tercera y cuarta fases del proyecto OGLE, desde 2001 hasta 2020.
«Este conjunto de datos proporciona las observaciones fotométricas más largas, extensas y precisas de estrellas en la Gran Nube de Magallanes en la historia de la astronomía moderna», afirma el profesor Udalski.
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 10 masas solares, deberíamos haber detectado 258 microlentes», afirma el Dr. Mróz. «Para agujeros negros de 100 masas solares, esperábamos 99 microlentes. Para 1.000 agujeros negros de masa solar, 27 microlentes».
En cambio, los astrónomos de OGLE sólo han encontrado 13 microlentes. 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. «Esto indica que los agujeros negros masivos pueden constituir como mucho un pequeño porcentaje de la materia oscura», afirma el Dr. Mróz.
Los cálculos detallados demuestran que los agujeros negros de 10 masas solares pueden constituir como máximo el 1,2% de la materia oscura, los de 100 masas solares, el 3,0% de la materia oscura, y los de 1.000 masas solares, el 11% de la materia oscura.
«Nuestras observaciones indican que los agujeros negros primordiales no pueden constituir una fracción significativa de la materia oscura y, al mismo tiempo, explicar las tasas observadas de fusión de agujeros negros medidas por LIGO y Virgo», afirma el profesor Udalski.
Por 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 décadas», añade el profesor Udalski.
REFERENCIA
No massive black holes in the Milky Way halo
Imagen: Impresión de artista de un evento de microlente causado por un agujero negro observado desde la Tierra hacia la Nube de Magallanes. La luz de una estrella de fondo ubicada en la Nube está doblada por un posible agujero negro primordial (lente) en el halo galáctico y se amplifica cuando se observa desde la Tierra. La microlente causa una variación muy característica del brillo de la estrella de fondo, lo que permite determinar la masa y la distancia de la lente. Crédito: J. Skowron / OGLE. Imagen de fondo de la Nube de Magallanes: generada con bsrender escrito por Kevin Loch, utilizando la base de datos de ESA/Gaia. Crédito: J. Skowron / OGLE. Imagen de fondo de la Nube de Magallanes: generada con bsrender escrito por Kevin Loch, utilizando la base de datos de ESA/Gaia
