El hallazgo de agujeros negros primordiales un poco más cerca gracias a una nueva técnica


Los científicos que buscan capturar evidencias de la existencia de la materia oscura -la sustancia invisible que se cree constituye gran parte del universo- puede encontrar una herramienta útil en el trabajo reciente de investigadores de la Universidad de Princeton y la Universidad de Nueva York.

El equipo dio a conocer en un informe en la revista Physical Review Letters este mes, un método para la detección de colisiones de estrellas con un tipo difícil de alcanzar de agujero negro que está en la lista de objetos que se cree componen la materia oscura. Tal descubrimiento podría servir como prueba observable de la materia oscura y proporcionaría una comprensión más profunda del funcionamiento interno del universo.

Los investigadores postdoctorales Shravan Hanasoge, del Departamento de Geociencias de Princeton y Michael Kesden del Centro para la Cosmología y la Física de Partículas de la New York University, simularon el resultado visible de un agujero negro primordial pasando a través de una estrella. Restos teóricos del Big Bang, los agujeros negros primordiales poseen propiedades de la materia oscura y es uno de los varios objetos cósmicos que se creen sean origen de la misteriosa sustancia, pero aún no han sido observados.

Si este tipo de agujeros negros fueran la fuente de la materia oscura, la gran cantidad de estrellas en la galaxia de la Vía Láctea -aproximadamente 100 mil millones- haría inevitable un encuentro con ellos, informaron los autores. A diferencia de los agujeros negros comunes, un agujero negro primordial no se “traga” la estrella si se topa con una, sino que provoca vibraciones perceptibles en la superficie de la estrella cuando pasa a través de él.

Por lo tanto, como el número de telescopios y satélites de sondeo de estrellas lejanas en la Vía Láctea va en aumento, las probabilidades de observar un agujero negro primordial ya que se desliza sin causar daño a través de uno de los miles de millones de la galaxia de estrellas son elevadas, dice Hanasoge. El modelo de computadora desarrollado por Hanasoge y Kesden se puede utilizar con las actuales técnicas de observación solar para ofrecer un método más preciso para detectar un agujero negro primordial con las herramientas existentes.

“Si los astrónomos estuvieran observando el sol, las posibilidades de observación de un agujero negro primordial no son muy altas, pero ahora buscamos en miles de estrellas”, dijo Hanasoge.

“Hay una cuestión más amplia de lo que constituye la materia oscura, y si un agujero negro primordial es encontrado, podrían encajar todos los parámetros, como que tienen masa y fuerza por lo que influyen directamente en los objetos en el universo, y no interactúan con la luz. La identificación de uno tendría profundas implicaciones para nuestra comprensión del universo primitivo y de la materia oscura “.

Aunque la materia oscura no ha sido observada directamente,  se cree que las galaxias residen en el extendido halo de materia oscura, basándonos en los bien documentados efectos gravitacionales de estos halos  en estrellas, galaxias y gas visibles. Al igual que otros candidatos propuestos, los agujero negros primordiales son difíciles de detectar porque no emiten ni absorben luz, atravesando sigilosamente el universo con sólo sutiles efectos gravitatorios sobre los objetos cercanos.

Sin embargo, debido a que este tipo de agujero negro es más pesado ​​que otros candidatos, su interacción con las estrellas sería detectable por observatorios estelares actuales y futuros, defiende Kesden. Al cruzarse con una estrella, la gravedad de un agujero negro primordial puede exprimir a la estrella, y luego, una vez que el agujero negro pasa a través, causar ondas en la superficie de la estrella, ya que regresa a su lugar originario.

“Podemos imaginar un globo lleno de agua y observar la ondulación interior del líquido como algo similar a la forma en la superficie de una estrella cuando se cruza con un agujero negro primordial”, dice Kesden. “Al mirar cómo se mueve la superficie de la estrella, podemos averiguar lo que está pasando en su interior. Si un agujero negro pasa a través de ella, podemos ver la vibración en la superficie.”

Kesden y Hanasoge utilizan el sol como un modelo para calcular el efecto de un agujero negro primordial en la superficie de una estrella. Kesden, cuya investigación incluye agujeros negros y materia oscura, calcula la masa de un agujero negro primordial, así como la trayectoria probable del objeto a través del sol. Hanasoge, que se centra en estudios sismológicos en el Sol, la Tierra y las estrellas, trabaja en los efectos de vibración del agujero negro en la superficie del sol.

Simulaciones de video de cálculos de los investigadores fueron creados por Tim NASA Sandstrom, utilizando la supercomputadora de las Pléyades en el Centro Ames de Investigación de California. Un video muestra las vibraciones de la superficie del Sol como un agujero negro primordial -representado por un camino blanco  pasando por su interior. Una segunda película retrata el resultado de un agujero negro en la la superficie del Sol .

Marc Kamionkowski, profesor de física y astronomía de la Universidad Johns Hopkins, dijo que el trabajo sirve como un conjunto de herramientas para la detección de agujeros negros primordiales, y asegura que Hanasoge y Kesden han proporcionado un método completo y preciso que se aprovecha de las actuales observaciones solares. Un físico teórico conocido por su trabajo con estructuras a gran escala y sobre la historia temprana del universo, Kamionkowski no participó en el proyecto, pero está familiarizado con él.

“Se ha sabido que a medida que un agujero negro primordial pasara a través de una estrella, tendría un efecto, pero esta es la primera vez que los cálculos son numéricamente precisos”, dice.

“Es una idea inteligente que se aprovecha de las observaciones y mediciones ya realizadas en física solar. Es como si alguien te llama para decir que puede haber un millón de dólares debajo de su felpudo. Si resulta no ser cierto, no le costará nada buscar. Así que, ya podría haber evidencias de materia oscura en los conjuntos de datos que los astrónomos ya tienen, ¿por qué no echar un vistazo? “

Un aspecto importante de la técnica de Kesden y Hanasoge, que Kamionkowski, señala es que se reduce una brecha significativa en la masa que puede ser detectada por los métodos existentes.

La búsqueda de un agujero negro primordial ha estado hasta ahora limitada a las masas demasiado pequeñas, o tan grandes que “los agujeros negros habrían interrumpido en las galaxias en formas tan enormes que ya nos habríamos dado cuenta”, dijo Kamionkowski. “Se ha descuidado un poco la búsqueda de agujeros negros primordiales y creo que es porque no ha habido una única y bien motivada idea de cómo encontrarlos dentro del rango en el que probablemente podrían existir.”

El rango de masas actuales en las que estos tipos de agujeros pueden ser observados se estableció sobre la base de las anteriores observaciones directas de la radiación de Hawking -las emisiones de un agujero negro a medida que se evapora en rayos gamma-, así como de la curvatura de la luz alrededor de grandes objetos estelares, dice Kesden. La diferencia de masa entre los fenómenos, sin embargo, es enorme, incluso en términos astronómicos. La radiación de Hawking sólo se puede observar si la masa del agujero negro se evapora es menos de 100 billones de gramos. En el otro extremo, un objeto debe ser mayor de 100 cuatrillónes (24 ceros) de gramo para la luz visible. La búsqueda de agujero negro primordial ha cubierto una franja de masas que se extienden por un factor de 1 billón, explica Kesden -similar a la búsqueda de un objeto desconocido con un peso a medio camino entre en de un centavo y un camión grande.

Él y Hanasoge sugieren una técnica para dar una serie de parámetros y ven muy necesario ser más específicos y establecer recortes para detectar un agujero negro primordial. La pareja se encuentra trabajando en simulaciones de un agujero negro primordial de más de 1 sextillón (21 ceros) de gramos – aproximadamente la masa de un asteroide, lo que podría producir un efecto notable en la superficie de una estrella.

“Ahora que sabemos que los agujeros negros primordiales pueden producir vibraciones perceptibles en las estrellas, se podría tratar de mirar una muestra más grande de  estrellas que nuestro propio sol”, dijo Kesden.

“La Vía Láctea tiene 100 mil millones de estrellas, por lo que alrededor de 10.000 eventos detectables  deberían estar sucediendo cada año en nuestra galaxia, si sabemos dónde buscar.”

Esta investigación fue financiada por becas de la NASA y por la Comunidad James Arthur postdoctoral de la Universidad de Nueva York.

Autor: Morgan Kelly

Enlace original: Black hole, star collisions may iluminate universe´s dark side

 

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