El microtrous negro primordial

Los agujeros negros son la etapa final del colapso gravitacional de la materia. Estas son regiones extrañas del espacio-tiempo de las cuales nada parece poder escapar. Cuando las reacciones termonucleares en el centro de una estrella suficientemente masiva cesan por falta de combustible, el corazón se derrumba repentinamente sobre sí mismo mientras el sobre explota en la supernova. Nada puede detener el proceso: un agujero negro estelar está a punto de nacer.

Conocemos otros tipos de agujeros negros, millones o miles de millones de veces más masivos, que se esconden en el centro de las galaxias y están en el origen de algunos de los procesos más enérgicos del Universo. El corazón de la Vía Láctea, por ejemplo, alberga un agujero negro cuya masa se estima entre dos y cuatro millones de veces la del Sol. Tales monstruos sin duda resultan de la acumulación progresiva de la materia circundante o de la fusión de agujeros negros inicialmente nacidos de la muerte de estrellas masivas. Estas estrellas ya no son objetos exóticos, sino que son miembros de pleno derecho del bestiario celestial de la astronomía moderna.

¿Significa esto que los agujeros negros necesariamente provienen de una estrella? ? Tal vez no. Otros tipos de agujeros negros, pequeños, podrían haberse formado directamente, por un simple colapso gravitacional del medio ultradenso, durante los primeros momentos del Universo, sin pasar por la etapa estelar: los microtursos negros llamados primordiales.

En la encrucijada

Los objetos hipotéticos, el microtropo negro primordial se encuentran en la encrucijada de lo infinitamente grande y lo infinitamente pequeño: la mecánica cuántica y la relatividad general, la cosmología y la física de partículas, la gravitación y la termodinámica, se requieren simultáneamente para comprenderlos . Los experimentos de laboratorio y las observaciones astronómicas se complementan entre sí en un intento de identificar estos agujeros negros, lo que constituiría una sonda privilegiada del Universo primordial, la gravitación cuántica, los colapsos gravitacionales o la física de alta energía. Comprender los procesos de capacitación y evaluar su número sería una ruta de acceso relevante en los primeros momentos después del Big Bang y permitiría medir parámetros que de otro modo serían inaccesibles.

La historia de los agujeros negros primordiales comenzó en 1967, en el corazón de una década muy rica para la astrofísica teórica, cuando el físico soviético Yakov Zeldovich imaginó que se podrían haber formado pequeños agujeros negros en el Universo primordial, justo después del Big Bang. Según él, la muy alta densidad que reinaba entonces era favorable a la aparición de tales objetos cosmológicos. Una región del espacio con suficiente sobredensidad podría colapsar bajo su propia gravedad para formar un agujero negro sin la existencia de ninguna estrella necesaria. El tamaño de estos agujeros negros primordiales está limitado por la causalidad: en los primeros momentos del cosmos, los puntos demasiado distantes no tuvieron tiempo de interactuar; por lo tanto, no pueden incluirse en el colapso de la misma región. Por lo tanto, un agujero negro se formó unos 10-21 segundos después de que el Big Bang tuviera un radio de apenas una billonésima parte de un milímetro y una masa máxima de alrededor de 1014 kilogramos (equivalente a la de una bola de plomo de casi tres kilómetros de radio). Un «peso de penacho» en comparación con los agujeros negros estelares convencionales, del orden de algunas masas solares !

No tan negros

Que podrían existir agujeros negros de muy baja masa llevó al físico Stephen Hawking a interesarse por sus propiedades cuánticas. Las sorpresas estaban ahí ! En 1972, Jacob Bekenstein acababa de sugerir que los agujeros negros tienen una entropía, es decir, un contenido informativo, proporcional al área de su horizonte (el borde más allá del cual incluso la luz no puede escapar de su influencia gravitacional). Aún más espectacular fue el descubrimiento de que, a diferencia de la intuición, los agujeros negros se evaporan ! El mecanismo, propuesto por S. Hawking, combina la mecánica cuántica y la gravitación. En el vacío cuántico, se producen pares de partículas y antipartículas constantemente y se aniquilan casi de inmediato. Sin embargo, cuando esta creación tiene lugar cerca del horizonte de un agujero negro, las dos partículas están separadas por el considerable gradiente del campo gravitacional, una que se sumerge en el agujero negro y la otra escapando hacia el exterior. En otras palabras, un agujero negro no es completamente negro: irradia partículas !

El descubrimiento de esta radiación arroja luz sobre el problema de la entropía introducido por J. Bekenstein: la entropía está asociada con el calor, asociada con la radiación, es natural que los agujeros negros, que tienen entropía, también tengan una temperatura distinta de cero e irradiar un flujo de calor.

Sin embargo, las propiedades de temperatura de los agujeros negros son singulares. Paradójicamente, la temperatura aumenta a medida que el agujero negro pierde masa y, por lo tanto, energía. Además, la temperatura (y la radiación) es casi cero para un agujero negro estelar o más masivo, mientras que puede alcanzar el valor más alto posible, la temperatura de Planck, o 1032 Kelvin, para un agujero negro de la masa de polvo ! Finalmente, La ecuación que define la temperatura, t = hc3/8 kGm reúne además de la masa metro Todas las constantes fundamentales de la física (La velocidad de la luz vs La constante de Planck h La constante gravitacional sol y la constante de Boltzman k testificando el hecho de que la radiación de Hawking es un fenómeno en la intersección de todas las ramas de la física.

Este descubrimiento allanó el camino para un nuevo campo, la termodinámica de los agujeros negros. También condujo al resaltado de otro acertijo: lo que sucede con la información ? Dado que la radiación emitida pierde, como asume S. Hawking, cualquier recuerdo de los objetos que participaron en la formación y el crecimiento del agujero negro, la información que llevan parece irremediablemente perdida. Sin embargo, tal situación contradice los principios fundamentales de la mecánica cuántica ! La teoría de cuerdas y la gravedad del bucle cuántico, las dos vías más prometedoras para conciliar la relatividad general y la mecánica cuántica, resolverían en gran medida estas contradicciones y darían sentido a la información «oculta». El estudio del microtrous negro puede permitir que se prueben y, lo más importante, sentar las bases en esta búsqueda de una teoría unificada.

Los más masivos todavía se están evaporando hoy

Pero cómo observarlos ? Si bien los agujeros negros masivos pueden ser detectados por la influencia gravitacional que ejercen en su vecindario, para resaltar los microtrotes negros, debemos aprovechar el hecho de que lo son … no negro ! En nuestro tiempo, algunos agujeros negros primordiales aún pueden evaporarse. La radiación de Hawking es aún más intensa ya que los agujeros negros son ligeros. Si solo unos pocos segundos son suficientes para que un agujero negro tan ligero como una pequeña colina se desmaye, un poco más que la vida útil del Universo es necesaria para que un agujero negro en la masa de un pequeño asteroide desaparezca por completo. La evaporación de un agujero negro primordial con una masa inicial de alrededor de 1012 kilogramos no se completará hoy. Por lo tanto, podría ser detectado.

La interacción del agujero negro con los pares de partículas y antipartículas que aparecen en las proximidades de su horizonte es esencialmente gravitacional, tanta antimateria como materia debería ser emitida en promedio por la radiación de Hawking, no se aniquilan entre sí, porque la probabilidad de que una partícula y su antipartícula asociada colisionen en las condiciones requeridas es muy baja. La emisión de una pequeña cantidad de material a través de un agujero negro pasaría completamente desapercibida, pero no la misma cantidad de antimateria. De hecho, dado que es raro en la galaxia, un exceso, incluso mínimo, se resaltaría fácilmente.

Una herramienta de detección sensible

En la década de 1980, Jane MacGibbon, de la Universidad de Cambridge, logró modelar el espectro de emisión característico y predecir de manera confiable la producción de protones y antiprotones por microtrotos negros primordiales. Una pequeña población de estos aumentaría la proporción de antiprotones que cruzan el espacio entre los rayos cósmicos. Esta proporción es solo de uno por mil protones si los agujeros negros primordiales no existen, existe una herramienta de detección muy sensible.

Sin embargo, debemos caracterizar el ruido de fondo: antiprotones que emanan de procesos más «convencionales». Esto ha sido posible recientemente, gracias a una comprensión detallada de la dinámica galáctica, el modelado de procesos complejos de física nuclear y, sobre todo, una gran cantidad de datos experimentales que solo se han obtenido recientemente.

Varios detectores de rayos cósmicos escanean el dominio de energía relevante para estudiar este fenómeno (del orden del gigaelectronvolt), en particular detectores incrustados por globos como colillas u observatorios espaciales como ams.

Sin embargo, aún no se ha demostrado un exceso de antimateria. La densidad de los agujeros negros primordiales, si existen, es necesariamente irrisoria: no puede exceder unas pocas billonésimas de la masa total del Universo. La contribución de ninguna otra forma de materia se ha visto limitada hasta ahora.

Sin embargo, estos resultados, por el momento negativos, son interesantes. Proporcionan información importante sobre las condiciones que prevalecen en los primeros momentos del Universo. Incluso si, de hecho, los agujeros negros primordiales no existieran, su simple ausencia ya trae, por sí sola, una restricción fuerte y sin precedentes sobre las fluctuaciones en el Universo primordial.

Estas fluctuaciones juegan un papel central en la historia del Universo, porque sin duda están en el origen de las galaxias que hoy estructuran el cosmos a través de procesos cuánticos que tuvieron que predominar en los primeros momentos.

Restricciones a las fluctuaciones

Los observables clásicos de la cosmología, como el fondo difuso de microondas (la radiación fósil de la primera luz emitida en el Universo) o grandes estructuras (distribución de grupos de galaxias), nos cuentan sobre las fluctuaciones a escalas espaciales significativas (unos pocos minutos de arco a varios grados).

Los agujeros negros primordiales representan una sonda complementaria, a escalas hasta 1050 veces más pequeñas. Los teóricos de la gravedad han demostrado en la década de 1970 que si se hubieran desarrollado fluctuaciones significativas a pequeñas escalas de distancia, necesariamente habrían resultado en una formación significativa de agujeros negros. En el entorno extremadamente denso representado por el Universo primordial, una sobredensidad notable en comparación con el valor promedio en una región dada conduce al colapso de esto en un agujero negro. La ausencia de tales agujeros negros, por lo tanto, impone un límite superior en la amplitud de las fluctuaciones en estos pequeños «tamaño» característicos.

Las fluctuaciones que pueden haber causado agujeros negros primordiales están directamente relacionadas con los modelos de inflación cosmológica. Según estos modelos, el Universo experimentó una fase de expansión vertiginosa – inflación – aproximadamente 10–38 segundos después del Big Bang (ver Los primeros momentos del Universo , por P Peter, página 24). Durante este breve período, el factor de escala del Universo, comparable a su tamaño, habría aumentado dramáticamente, típicamente en un factor de 1030.

La inflación, introducida a principios de la década de 1980 por Alexei Starobinski, Alan Guth y Andreï Linde, hoy desempeña un papel central en cosmología y ha encontrado una base sólida en la física de partículas. Resuelve la mayoría de los problemas que surgen a gran escala, por ejemplo, explicando por qué el espacio tiene una curvatura muy débil, por qué es homogéneo de un extremo del cielo al otro, o por qué algunos objetos extraños, pero previsto por las teorías de unificación, no son observados.

El escenario de inflación ha sido probado gracias a numerosas observaciones cosmológicas, como la medición de las anisotropías del fondo cósmico de microondas. Esta teoría ahora es compatible con todos los datos de observación. Se han considerado otros mecanismos que producen efectos similares, pero parecen menos convincentes. Las observaciones futuras, en particular las del satélite Planck lanzado en 2009 por la Agencia Espacial Europea, pondrán a prueba los modelos de inflación con mayor precisión y allanarán el camino para un estudio cuantitativo real de estos escenarios.

¿Qué información aportan los agujeros negros primarios a la inflación? ? Esto último es necesario para la cosmología, pero el detalle de los procesos en el trabajo es difícil de probar. Las mediciones de fondo difusas cosmológicas dan una primera idea de la energía inicial del campo que causa la inflación (el inflaton). Además, Los agujeros negros primordiales proporcionan pistas a otros parámetros teóricos básicos (en particular la aceleración de este campo) y su simple ausencia limita el espacio de posibles valores (en cuanto a los agujeros negros primordiales formados hipotéticamente antes de la inflación, habrían estado tan diluidos que su población sería insignificante hoy).

Además, aunque las limitaciones que estos microtrofes negros imponen en ciertos escenarios inflacionarios son cuantitativamente bastante bajas, siguen siendo relevantes: de hecho, permiten el acceso al espectro primordial de fluctuaciones en un rango de escala espacial aproximadamente 1050 veces menor que las generalmente considerado. Muy pocos procesos físicos pueden extrapolarse tan lejos del área donde se miden …

Consecuencias exóticas

Más allá de las fluctuaciones creadas naturalmente por la inflación, muchos otros procesos, más o menos exóticos, pueden conducir a la formación de microturcos negros en el Universo primordial. Maxim Khlopov y Alexander Polnarev, del Instituto de Ingeniería Física de Moscú, propusieron en 1980 que una fase de expansión cosmológica durante la cual las partículas no eran relativistas (la llamada fase de «polvo») habría aumentado la producción diez veces más negra. En dicho entorno, de hecho, la presión del fluido primordial que frustra el colapso en un agujero negro es menor, por lo que la amplitud de las fluctuaciones necesarias para su formación se vuelve mucho menor.

S. Hawking también mostró al mismo tiempo que las colisiones de cuerdas cósmicas, las hipotéticas estructuras macroscópicas filiformes a partir de simetrías rotas o burbujas «reales vacías» (es decir, más estables que el Universo circundante y, por lo tanto, definiendo un verdadero estado fundamental) también deberían conducir a la formación de microtrous negro.

Estudios recientes han sugerido que estos agujeros negros también pueden afectar la síntesis de elementos químicos. Pares de quarks y antiquarks emitidos durante la evaporación de agujeros negros primordiales se fragmentarían en partículas que se difundirían en el plasma caliente de electrones, fotones y nucleones. Aún más sorprendente, la presencia de agujeros negros primordiales podría modificar la bariogénesis (la aparición de una asimetría entre la materia y la antimateria) al sumergir el Universo en una nueva era «relativista» a través de la emisión de partículas de energía. John Barrow de la Universidad de Cambridge y Bernard Carr de la Universidad Queen Mary en Londres también enfatizaron que la historia de la formación de agujeros negros primordiales mantendría el recuerdo de una posible variación a lo largo del tiempo. La constante gravitacional. Si fuera significativamente diferente en el Universo joven, según lo previsto en ciertas teorías de unificación, la tasa de formación de agujeros negros se modificaría.

En términos más generales, el estudio de los agujeros negros primordiales está relacionado con la comprensión de muchos fenómenos de un «nuevo físico» que caracteriza los comienzos del Universo.

Por el momento, estos microtrusos negros primordiales permanecen invisibles … La caza, sin embargo, no termina aquí ! Detectores espaciales cada vez más eficientes, como el espectrómetro magnético Alpha ams-ii o el espectrómetro de gases huecos, permitirá en la próxima década buscar la firma de la posible emisión por agujeros negros no solo de protones y antiprotones, pero también antinoyales ligeros (como el antideuterón, que consiste en un antiprotón y un antineutrón). Ganaríamos un orden de magnitud en sensibilidad, lo que tal vez permitiría una primera detección. De hecho, los antideuterones resultantes de procesos convencionales (interacciones de los protones de radiación cósmica con los protones del medio interestelar) tienen energías más grandes que las que emitirían pequeños agujeros negros durante su evaporación.

Simultáneamente, los fotones de alta energía (rayos gamma) también forman una firma observacional interesante. Vienen no solo de la emisión directa a través del agujero negro, sino también de la desintegración de peones neutros (partículas compuestas de pares quarks-antiquarks). A diferencia de las partículas cargadas, los rayos gamma no se limitan a las galaxias por el campo magnético. Por lo tanto, permiten observar galaxias distantes y, en consecuencia, un volumen considerable de Universo. Teniendo en cuenta la evolución de la densidad de los agujeros negros a lo largo del tiempo (porque la evaporación cambia el espectro de emisión) y una buena caracterización del ruido de fondo vinculado a galaxias y núcleos activos de galaxias, Los rayos gamma ofrecen restricciones a la población de agujeros negros primordiales comparables a los de las antipartículas, pero independiente. Gracias a los satélites, como Fermi, lanzado en 2008, se esperan mejoras significativas en la sensibilidad. La búsqueda del microtrous negro acaba de comenzar !

Una ventana a altas energías

Más allá de esta dimensión cosmológica, los agujeros negros primordiales también son un medio privilegiado para estudiar la gravitación y la física de las altas energías. En particular, recientemente se ha demostrado que la formación de estos agujeros negros puede seguir las leyes de los «fenómenos críticos» en física estadística. Los colapsos gravitacionales que conducen a microtrous negro comienzan a ser detenidos en este contexto. Este enfoque podría ser rico en conexiones entre diferentes áreas de investigación que aún están separadas.

Los agujeros negros primordiales también podrían arrojar nueva luz sobre los modelos de física de partículas, siempre que su temperatura exceda las energías alcanzadas hoy por los colisionadores. La energía del gran colisionador de hadrones lhc, 14 teraelectrónvoltios, es equivalente a la temperatura de un agujero negro de 1,000 toneladas y 10–21 metros de radio. Tan pronto como un agujero negro, durante su evaporación, se vuelve más pequeño que este umbral, es una fuente potencial de nuevas partículas más pesadas que las observables en lhc. Tales partículas son predichas, por ejemplo, por el modelo supersimétrico, que es la extensión más natural del modelo estándar de física de alta energía.

Una contribución a la materia oscura ?

Finalmente, el microtrous negro primordial puede contribuir en parte a la materia oscura. Esta forma de materia misteriosa e invisible es aproximadamente seis veces más abundante que el material habitual, o bariónico. Los agujeros negros primarios cuya masa sería lo suficientemente alta como para que su evaporación sea insignificante, del orden de la de un pequeño planeta, pueden constituir una fracción de este material invisible. Una posibilidad aún más interesante proviene de los residuos de la evaporación de agujeros negros primordiales ligeros. Estas reliquias de evaporación, apenas más pesadas que el polvo, pero cuya densidad sería de alrededor de 1087 toneladas por centímetro cúbico, podrían contribuir a la materia oscura. La prueba de la existencia de estos residuos también sería un gran paso adelante en la comprensión de la gravitación cuántica, un entorno natural para describir el final de la vida de los agujeros negros en la escala de Planck. De hecho, si bien la relatividad general de Einstein predice una evaporación completa sin la menor reliquia restante, muchos modelos de gravedad cuántica sugieren la existencia de estos pequeños «restos» de agujeros negros.

Aunque no son, en sentido estricto, esenciales, otros agujeros negros de muy baja masa, para los cuales la evaporación de la radiación de Hawking también es importante, también podrían destacarse en aceleradores de partículas y luego proporcionarían información crucial sobre la naturaleza del espacio-tiempo ( ver el cuadro en la página 34 .

Así que los agujeros negros microscópicos son objetos en la encrucijada de teorías de unificación de la física moderna. Pase lo que pase con estas teorías, la investigación sobre temperatura, entropía, radiación y el acoplamiento de microtrous negro con partículas ya ha demostrado ser un poderoso motor para la física básica. Pero, más allá de sus propiedades intrínsecas, los agujeros negros primordiales también son herramientas privilegiadas para comprender los primeros momentos del Universo y probar muchos modelos especulativos en cosmología. Su estudio probablemente recién comienza. Incluso si nunca conduce a su detección, indudablemente dará lugar a importantes avances en física básica. ■

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