En febrero de 2016, los científicos que trabajan para el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) hicieron historia cuando anunciaron la primera detección de ondas gravitacionales. Desde entonces, se han realizado múltiples detecciones y las colaboraciones científicas entre observatorios, como Advanced LIGO y Advanced Virgo, están permitiendo niveles sin precedentes de sensibilidad e intercambio de datos.
Este evento no solo confirmó una predicción centenaria realizada por la Teoría de la relatividad general de Einstein, sino que también condujo a una revolución en la astronomía. También avivó las esperanzas de algunos científicos que creían que los agujeros negros podrían explicar la "masa perdida" del Universo. Desafortunadamente, un nuevo estudio realizado por un equipo de físicos de la Universidad de California en Berkeley ha demostrado que los agujeros negros no son la fuente tan buscada de Dark Matter.
Su estudio, "Límites sobre los objetos compactos de masa estelar como materia oscura de la lente gravitacional de las supernovas de tipo Ia", apareció recientemente en el Cartas de revisión física. El estudio fue dirigido por Miguel Zumalacarregu, becario global Marie Curie en el Centro Berkeley de Física Cosmológica (BCCP), con el apoyo de Uros Seljak, profesor de cosmología y codirector del BCCP.
En pocas palabras, Dark Matter sigue siendo uno de los misterios más esquivos y problemáticos que enfrentan los astrónomos en la actualidad. A pesar de que comprende el 84.5% de la materia en el Universo, todos los intentos de descubrirlo hasta ahora han fallado. Se han propuesto muchos candidatos, que van desde partículas ultraligeras (axiones) hasta partículas masivas de interacción débil (WIMPS) y objetos de halo compactos masivos (MACHO).
Sin embargo, estos candidatos varían en masa en un orden de 90, que varios teóricos han tratado de resolver al proponer que podría haber múltiples tipos de materia oscura. Sin embargo, esto requeriría diferentes explicaciones para sus orígenes, lo que complicaría aún más los modelos cosmológicos. Como Miguel Zumalacárregui explicó en un reciente comunicado de prensa de UC Berkeley:
“Me imagino que son dos tipos de agujeros negros, muy pesados y muy ligeros, o agujeros negros y partículas nuevas. Pero en ese caso, uno de los componentes es un orden de magnitud más pesado que el otro, y deben producirse en abundancia comparable. Pasaríamos de algo astrofísico a algo que es verdaderamente microscópico, tal vez incluso la cosa más ligera del universo, y eso sería muy difícil de explicar ".
En aras de su estudio, el equipo realizó un análisis estadístico de 740 de las supernovas más brillantes descubiertas (a partir de 2014) con el fin de determinar si alguna de ellas había sido ampliada o iluminada por la presencia de un agujero negro intermedio. Este fenómeno, donde la fuerza gravitacional de un objeto grande magnifica la luz proveniente de objetos más distantes se conoce como "lente gravitacional".
Básicamente, si los agujeros negros fueran la forma dominante de materia en el Universo, entonces las supernovas magnificadas gravitacionalmente ocurrirían con bastante frecuencia debido a los agujeros negros primordiales. Se cree que estas hipotéticas formas de agujero negro se formaron en los primeros milisegundos después del Big Bang en partes del Universo donde la masa se concentró en decenas o cientos de masas solares, lo que provocó la formación de los primeros agujeros negros.
La presencia de esta población de agujeros negros, así como cualquier objeto compacto masivo, curvaría y magnificaría gravitacionalmente la luz de objetos distantes en su camino a la Tierra. Esto sería especialmente cierto para las supernovas de Tipo Ia distantes, que los astrónomos han usado durante décadas como la fuente de brillo estándar para medir distancias cósmicas y la velocidad a la que el Universo se está expandiendo.
Sin embargo, después de realizar un análisis estadístico complejo de datos sobre el brillo y la distancia de 740 supernovas - 580 en la Unión y 740 en los catálogos Joint Light-curve Analysis (JLA) - el equipo concluyó que ocho de las supernovas deberían ser más brillantes por un pocas décimas de porcentaje de lo que se ha observado históricamente. Sin embargo, no se detectó ese brillo, incluso cuando se consideraron los agujeros negros de baja masa.
"No se puede ver este efecto en una supernova, pero cuando las juntas y haces un análisis bayesiano completo comienzas a poner restricciones muy fuertes sobre la materia oscura, porque cada supernova cuenta y tienes muchas", dijo Zumalacárregui.
De su análisis, concluyeron que los agujeros negros no pueden representar más del 40% de la materia oscura en el Universo. Después de incluir 1.048 supernovas más brillantes del catálogo de Pantheon (y a mayores distancias), las restricciones se hicieron aún más estrictas. Con este segundo conjunto de datos, obtuvieron un límite superior aún más bajo, 23%, que en su análisis original.
Estos resultados sugieren que ninguna de la materia oscura del Universo consiste en agujeros negros pesados, ni ningún objeto masivo similar como MACHO. "Estamos de vuelta a las discusiones estándar", dijo Seljak. “¿Qué es la materia oscura? De hecho, nos estamos quedando sin buenas opciones. Este es un desafío para las generaciones futuras ”.
Este estudio se basó en una investigación anterior realizada por Seljak a fines de la década de 1990 cuando los científicos consideraban los MACHO y otros objetos masivos como una posible fuente de materia oscura. Sin embargo, el estudio fue limitado debido al hecho de que solo se había descubierto un pequeño número de supernovas de Tipo Ia distantes o se habían medido sus distancias en ese momento.
Además, la búsqueda de Dark Matter cambió poco después de objetos grandes a partículas fundamentales (como WIMP). Como resultado, los planes de seguimiento estudiados no se materializaron. Pero gracias a las observaciones LIGO de las ondas gravitacionales, la posible conexión entre los agujeros negros y la materia oscura surgió una vez más e inspiró a Seljak y Zumalacárregui a realizar su análisis.
"Lo que fue intrigante es que las masas de los agujeros negros en el evento LIGO estaban justo donde los agujeros negros aún no habían sido excluidos como materia oscura", dijo Seljak. “Esa fue una coincidencia interesante que entusiasmó a todos. Pero fue una coincidencia.
La teoría de la materia oscura se adoptó oficialmente en la década de 1970, durante la "Edad de oro de la relatividad", para dar cuenta de las discrepancias entre la aparente masa de objetos en el universo y sus efectos gravitacionales observados. Parece que medio siglo después, todavía estamos tratando de rastrear esta masa misteriosa e invisible. Pero con cada estudio, se imponen restricciones adicionales sobre Dark Matter y se eliminan los posibles candidatos.
Con el tiempo, podríamos descubrir este misterio cosmológico y estar un paso más cerca de comprender cómo se formó y evolucionó el Universo.
