La "materia oscura" invisible en el espacio está obligando a las galaxias a evolucionar

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificación: 2023-12-16 16:02

Cuanto más tiempo permanece sin resolver el misterio de la materia oscura, aparecen hipótesis más exóticas sobre su naturaleza, incluida la idea más reciente de la herencia de agujeros negros gigantes del Universo anterior.

Para saber que algo existe, no es necesario verlo. Entonces, una vez, de acuerdo con la influencia gravitacional en el movimiento de Urano, se descubrieron Neptuno y Plutón, y hoy se está buscando un hipotético Planeta X en las afueras del sistema solar. Pero, ¿y si encontramos tal influencia en todas partes del Universo? Tomemos las galaxias, por ejemplo. Parecería que si el disco galáctico gira, la velocidad de las estrellas debería disminuir al aumentar la órbita. Este es, por ejemplo, el caso de los planetas del sistema solar: la Tierra gira alrededor del Sol a 29,8 km / s, y Plutón, a 4,7 km / s. Sin embargo, ya en la década de 1930, las observaciones de la nebulosa de Andrómeda mostraron que la velocidad de rotación de sus estrellas permanece casi constante, sin importar cuán lejos en la periferia estén. Esta situación es típica de las galaxias y, entre otras razones, condujo al surgimiento del concepto de materia oscura.

Carnaval de problemas

Se cree que no lo vemos directamente: esta misteriosa sustancia prácticamente no interactúa con partículas ordinarias, incluso no emite ni absorbe fotones, pero podemos notarlo por el efecto gravitacional sobre otros cuerpos. Las observaciones de los movimientos de estrellas y nubes de gas permiten compilar mapas detallados del halo de materia oscura que rodea el disco de la Vía Láctea, hablando del importante papel que juega en la evolución de las galaxias, cúmulos y toda la gran escala. estructura del Universo. Sin embargo, comienzan a surgir más dificultades. ¿Qué es esta misteriosa materia oscura? ¿En qué consiste y qué propiedades tienen sus partículas?

Durante muchos años, los WIMP han sido los principales candidatos para este papel: partículas hipotéticas que no pueden participar en ninguna interacción que no sea gravitacional. Están tratando de detectarlos tanto indirectamente, mediante el producto de interacciones raras con materia ordinaria, como directamente, utilizando poderosos instrumentos, incluido el Gran Colisionador de Hadrones. Por desgracia, en ambos casos, no hay resultados.

“El escenario en el que el LHC encuentra solo el bosón de Higgs y nada más se ha llamado un 'escenario de pesadilla' por una razón”, dice Sabine Hossenfelder, profesora de la Universidad de Frankfurt. "El hecho de que no se hayan encontrado signos de nueva física me sirve como una señal inequívoca: algo anda mal aquí". Otros científicos también captaron esta señal. Después de la publicación de los resultados negativos de las búsquedas de rastros de materia oscura utilizando el LHC y otros instrumentos, el interés en hipótesis alternativas sobre su naturaleza está claramente creciendo. Y algunas de estas soluciones parecen incluso más exóticas que el carnaval brasileño.

Miríadas de agujeros

¿Qué pasa si los WIMP no existen? Si la materia oscura es materia que no podemos ver, pero vemos los efectos de su gravedad, entonces ¿tal vez son solo agujeros negros? En teoría, en las primeras etapas de la evolución del Universo, podrían haberse formado en grandes cantidades, no a partir de estrellas gigantes muertas, sino como resultado del colapso de la materia superdensa y caliente que llenó el espacio incandescente. Un problema: hasta ahora no se ha encontrado un solo agujero negro primordial, y no se sabe con certeza si alguna vez existieron. Sin embargo, hay suficientes otros agujeros negros en el Universo que son adecuados para este papel.

Las observaciones de la sonda espacial distante Voyager 1 no revelaron ningún rastro de radiación de Hawking, lo que podría indicar la aparición de agujeros negros primordiales de tamaño microscópico. Sin embargo, esto no excluye la existencia de objetos similares más grandes. Desde 2015, el interferómetro LIGO ya ha registrado 11 ondas gravitacionales, y 10 de ellas fueron causadas por fusiones de pares de agujeros negros con masas de decenas de masas solares. Esto en sí mismo es extremadamente inesperado, porque tales objetos se forman como resultado de explosiones de supernovas y la estrella fallecida pierde la mayor parte de su masa en el proceso. Resulta que los precursores de los agujeros fusionados fueron estrellas de tamaños realmente ciclópeos, que no deberían haber nacido en el Universo desde hace mucho tiempo. Otro problema es creado por la formación de sistemas binarios por ellos. Una explosión de supernova es un evento tan poderoso que cualquier objeto cercano será arrojado lejos. En otras palabras, LIGO ha detectado ondas gravitacionales de objetos, cuya apariencia sigue siendo un misterio.

A finales de 2018, estos objetos fueron abordados por el astrofísico del Instituto de Ciencia y Tecnología de Greenwich Nikolai Gorkavy y el premio Nobel John Mather. Sus cálculos mostraron que los agujeros negros con masas de decenas de masas solares bien podrían sumar un halo galáctico, que permanecería prácticamente invisible para la observación y, al mismo tiempo, crearía todas las anomalías características en la estructura y movimiento de las galaxias. Al parecer, ¿de dónde en la lejana periferia de la galaxia proviene el número requerido de agujeros negros tan grandes? Después de todo, la gran mayoría de estrellas masivas nacen y mueren más cerca del centro. La respuesta que dan Gorkavy y Mather es casi increíble: estos agujeros negros no "vinieron", en cierto sentido siempre han existido, desde el principio mismo del Universo. Estos son los remanentes del ciclo anterior en una secuencia interminable de expansiones y contracciones del mundo.

La línea continua muestra la velocidad orbital real de las estrellas y el gas que orbitan el centro de la galaxia; punteado: esperado en ausencia de la influencia de la materia oscura.

Reliquias del renacimiento

En general, el Big Bounce no es un modelo nuevo en cosmología, aunque no ha sido probado, existiendo a la par con muchas otras hipótesis de la evolución del cosmos. Es posible que en la vida del universo, los períodos de expansión sean reemplazados por la contracción, el "Gran Colapso", y un nuevo rebote-explosión, el nacimiento del mundo de la próxima generación. Sin embargo, en el nuevo modelo, estos ciclos son conducidos por agujeros negros, que actúan como materia oscura y energía oscura, una sustancia o fuerza misteriosa que causa la expansión acelerada de nuestro Universo.

Se supone que al absorber materia y fusionarse entre sí, los agujeros negros pueden acumular más y más de la masa total del Universo. Esto debería conducir a una desaceleración en su expansión y luego a una contracción. Por otro lado, cuando los agujeros negros se fusionan, una parte significativa de su masa se pierde con la energía de las ondas gravitacionales. Por tanto, el agujero resultante será más ligero que la suma de sus términos anteriores (por ejemplo, la primera onda gravitacional registrada por LIGO nació cuando agujeros negros de 36 y 29 masas solares se fusionan con la formación de un agujero con una masa de "sólo "62 masas solares). Entonces, el Universo también puede perder masa, contrayéndose y llenándose con agujeros negros cada vez más grandes, incluido uno de los más grandes: el central.

Finalmente, luego de una larga serie de fusiones de agujeros negros, cuando una parte significativa de la masa del Universo "se filtra" en forma de ondas gravitacionales, comenzará a dispersarse en todas direcciones. Desde fuera parecerá una explosión: el Big Bang. A diferencia de la imagen clásica de Big Rebound, la destrucción completa del mundo anterior no ocurre en tal modelo, y el nuevo Universo hereda directamente algunos objetos del padre. En primer lugar, todos estos son los mismos agujeros negros, listos para volver a desempeñar los dos papeles principales en ellos, tanto la materia oscura como la energía oscura.

Gran madre

Entonces, en esta imagen inusual, la materia oscura resulta ser grandes agujeros negros, que se heredan del Universo al Universo. Pero no debemos olvidarnos del agujero negro "central", que debería formarse en cada uno de esos mundos en la víspera de su muerte y persistir en el siguiente. Los cálculos de los astrofísicos han demostrado que su masa en el espacio actual puede alcanzar la increíble cifra de 6 x 1051 kg, 1/20 de la masa de toda la materia bariónica y aumentar continuamente. Su crecimiento puede conducir a una expansión cada vez más rápida del espacio-tiempo y manifestarse como una expansión acelerada del Universo.

Por supuesto, la presencia de una masa tan ciclópea debería conducir a la aparición de falta de homogeneidad notable en la estructura a gran escala del Universo. Ya existe un candidato para tal heterogeneidad: el Eje astronómico del Mal. Estos son signos relativamente débiles, pero muy alarmantes de la anisotropía del Universo: la estructura que se manifiesta en él en las escalas más grandes y no concuerda de ninguna manera con las opiniones clásicas sobre el Big Bang y todo lo que sucedió después.

En el camino, la hipótesis exótica también resuelve otro acertijo astronómico: el problema de la aparición inesperadamente temprana de agujeros negros supermasivos. Dichos objetos están ubicados en los centros de grandes galaxias y, por medios desconocidos, lograron ganar masa en millones e incluso miles de millones de masas solares ya en los primeros 1-2 mil millones de años de existencia del Universo. No está claro dónde podrían, en principio, encontrar tanta sustancia, y más aún cuándo podrían tener tiempo para absorberla. Pero en el marco de la idea de los agujeros negros "heredados", estas preguntas se eliminan, porque sus embriones podrían habernos llegado del Universo pasado.

Es una pena que la extravagante hipótesis de Gorkavy siga siendo solo una hipótesis. Para que se convierta en una teoría en toda regla, es necesario que sus predicciones coincidan con los datos de observación, y con aquellos que no pueden ser explicados por los modelos tradicionales. Por supuesto, las investigaciones futuras permitirán comparar los fantásticos cálculos con la realidad, pero obviamente esto no sucederá en un futuro próximo. Por lo tanto, mientras que las preguntas sobre dónde se esconde la materia oscura y qué es la energía oscura, siguen sin respuesta.