Por qué los agujeros negros podrían ser toda la materia oscura

Ningún experimento basado en la Tierra ha observado signos de partículas del tipo que se espera para la materia oscura. Tal vez sea porque la materia oscura sea una cosa de tipo totalmente distinto

La materia oscura es una cosa misterioso que los cosmólogos creen que llena el universo. Lo que probraría su existencia es que no hay suficiente masa visible para mantener unidas las galaxias. Pero dado que está a la vista que las galaxias no se deshacen, debe haber una cosa invisible, alguna masa perdida, que genera la fuerza gravitatoria que las mantiene unidas.

Pero hay un problema con esta idea. Dos, en realidad. La primera es que la mejor apuesta de los físicos sobre las leyes de la física da una buena descripción de todas las partículas que ellos han descubierto hasta ahora, y no esperam que se descubran muchas pronto. El problema es que ninguna de estas partículas tiene el tipo de propiedades adecuadas para ser materia oscura, a saber, ser eléctricamente neutras, de vida larga y movimiento lento. Pero ninguna de las partículas conocidas o de las hipotéticas encaja bien. Para hacer sitio a las partículas de materia oscura, las leyes de la física deben ser cambiadas de una forma que muchos teóricos encuentran desagradable.

Segundo, a pesar de haber pasado una década buscando materia oscura con experimentos que cuestan decenas de millones de dólares, nadie puesto sus ojos sobre la cosa. La mayor parte de físicos piensan que estos experimentos no han encontrado nada, cero, en absoluto.

Es difícil escapar a la conclusión de que es necesaria otra explicación para la masa perdida.

Aquí entra Paul Frampton, de la Universidad de Carolina del Norte y a sus colegas. La sugerencia de Frampton es que la masa perdida está compuesta de agujeros negros que son demasiado pequeños para verlos directamente, pero muy grandes para haberse evaporado debido a la radiación de Hawking.

Pero la idea es algo más que otra apuesta loca. Frampton y sus compañeros tienen un argumento interesante basado en la entropía para respaldar sus afirmaciones.

Algo como esto: Primero, ellos determinan la máxima entropía que podría tener el universo, imaginando que todo el universo visible fuese un gigantesco agujero negro. La respuesta resultó ser 10123, un número realmente grande. Por lo que ese es el límite superior para la entropía posible.

Luego, calcularon un límite inferior, sumando la entropía de todos los agujeros negros que se conocen en el universo. Lo calcularon suponiendo que hay un agujero negro gigante en el centro de cada galaxia, una visión que cada vez está más firme entre más astrofísicos.

Esto da la cifra 10103, muchos órdenes de magnitud menos.

Es una gran cantidad de entropía, está claro, pero para Frampton y sus colegas es improbable que sea el principal contribuyente de nuestro universo. «Cada agujero negro supermasivo tiene aproximadamente el tamaño de nuestro Sistema Solar o menos, y es intuitivamente improbable que, esencialmente, toda la entropía esté tan concentrada», dice. Por lo que alguna otra cosa debe estar generando entropía en algún lugar.

No puede ser la materia visible, ya que los cálculos convencionales indican que la entropía sólo suma 1088. Lo que falta es la entropía de la masa oscura perdida.

¿Qué tipo de agujero negro podría ser responsable de esto? Resulta que todo agujero negro mayor de 106 masas solares causaría que la materia cercana se arremolinara en espiral hacia él, evitando que se formasen las galaxias. Cualquiera de menos de 10-8 masas solares se habría evaporado.

Así que la conclusión es que la materia oscura está formada por agujeros negros con una masa entre 106 y 10-8 masas solares.

Pero también hay un problema con esta idea. ¿Cómo se podría haber formado una cantidad tan grande de agujeros negros en el inicio del universo? Algo debió provocar que la materia se agrupase a esta escala para formar los agujeros negros. Pero en la actual teoría de la inflación, que describe cómo creció el universo primitivo, no hay nada que indique cómo podría haber sucedido esto.

Eso es fácil de resolver, dicen Frampton y sus colegas: deben haber existido dos periodos de inflación. El primero llevó a la estructura a gran escala del universo que vemos y que ha sido medida por satélites como el WMAP. El segundo llevó a la acumulación que creó grandes cantidades de agujeros negros primordiales de tamaño medio.

Esta explicación resulta algo más fácil de digerir que una en la que deben cambiar las leyes de la física para crear nuevas partículas de materia oscura, aunque sólo un poco.

Sin embargo, las ideas de Frampton se pueden comprobarsbuscando pruebas de estos agujeros negros primordiales, que deberían causar eventos de microlente. O sea, que su gravedad debería enfocar la luz de estrellas por detrás de ellos al verlas desde la Tierra.

Ese tipo de medidas se están haciendo más fáciles, por lo que debería ser posible aceptar o rechazar las ideas de Frampton en un futuro no muy lejano.

Referencia: de publicación: arxiv.org/abs/1003.3356: Black Holes Constitute All Dark Matter arxiv.org/abs/1001.2308: Primordial Black Holes As All Dark Matter

Fuente: Tecnology Review. Aportado por Eduardo J. Carletti

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