El telescopio Roman buscará agujeros negros originarios

Los astrónomos han descubierto agujeros negros con dimensiones que van desde unas pocas veces la masa del Sol hasta decenas de miles de millones de veces esa masa. Más recientemente, un grupo de científicos ha predicho que el telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA podría encontrar una clase de agujeros negros “peso pluma” que hasta ahora han escapado a la detección.

En la actualidad, los agujeros negros se forman cuando una estrella de gran masa colapsa o cuando se fusionan objetos pesados. Sin embargo, los científicos sospechan que los agujeros negros “originarios” más pequeños, incluyendo algunos con una masa comparable a la de la Tierra, podrían haberse formado en los primeros momentos caóticos del universo primitivo.

“Detectar una población de agujeros negros originarios con masa terrestre sería un paso increíble, tanto para la astronomía como para la física de partículas, porque estos objetos no pueden formarse mediante ningún proceso físico conocido”, dijo William DeRocco, investigador postdoctoral de la Universidad de California en Santa Cruz, quien dirigió un estudio sobre el modo como el telescopio Roman podría descubrirlos. Se ha publicado un artículo que describe estos resultados en la revista Physical Review D. “Si los encontramos, esto revolucionará el campo de la física teórica”.

Los agujeros negros más pequeños que se forman hoy en día nacen cuando una estrella masiva se queda sin combustible. Su presión hacia afuera disminuye a medida que la fusión nuclear se extingue, por lo que la atracción gravitacional hacia adentro gana el tira y afloja. La estrella se contrae y puede volverse tan densa que se convierte en un agujero negro.

Pero se requiere tener una masa mínima: al menos ocho veces la de nuestro Sol. Las estrellas más livianas se convertirán en enanas blancas o en estrellas de neutrones.

Sin embargo, las condiciones en los inicios del universo primitivo podrían haber permitido la formación de agujeros negros mucho más livianos. Uno que pesara la masa de la Tierra tendría un horizonte de sucesos —el punto de no retorno para los objetos que caen dentro de él— tan ancho como una moneda de diez centavos de dólar.

Los científicos creen que, justo cuando estaba naciendo, el universo experimentó una fase breve pero intensa conocida como inflación, cuando el espacio se expandió más rápido que la velocidad de la luz. En estas condiciones especiales, es posible que las zonas que eran más densas que sus alrededores hayan colapsado para formar agujeros negros originarios de poca masa.

Si bien la teoría predice que los agujeros más pequeños debían haberse evaporado antes de que el universo alcanzara su edad actual, aquellos con masas similares a la Tierra podrían haber sobrevivido.

El descubrir estos diminutos objetos tendría un enorme impacto en la física y la astronomía.

“Esto tendría un efecto en todo: desde la formación de las galaxias hasta el contenido de la materia oscura del universo y la historia cósmica”, dijo Kailash Sahu, astrónomo del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, quien no participó en el estudio. “Confirmar sus identidades será un trabajo duro y los astrónomos necesitarán mucho convencimiento, pero es algo que bien valdría la pena”.

Las observaciones ya han revelado pistas de que tales objetos podrían estar al acecho en nuestra galaxia. Los agujeros negros originarios serían invisibles, pero las arrugas en el espacio-tiempo han ayudado a contabilizar a algunos posibles sospechosos.

El efecto de microlente durante las observaciones ocurre porque la presencia de masa deforma el tejido del espacio-tiempo, de un modo parecido a la fuerza que ejerce una bola de boliche cuando se le coloca sobre un trampolín. Cada vez que, desde nuestro punto de vista, un objeto interpuesto parece desplazarse cerca de una estrella en el fondo, la luz de esa estrella debe atravesar el espacio-tiempo deformado alrededor del objeto. Si la alineación es especialmente cercana, el objeto puede actuar como una lente natural, enfocando y amplificando la luz de la estrella del fondo.

Diferentes grupos de astrónomos que utilizan datos de las Observaciones de Microlentes en Astrofísica (MOA, por sus siglas en inglés) —una colaboración que lleva a cabo observaciones de microlentes utilizando el Observatorio de la Universidad de Mount John en Nueva Zelanda— y el Experimento de Lentes Gravitacionales Ópticas (OGLE, por sus siglas en inglés) han encontrado una población inesperadamente grande de objetos aislados de masa terrestre.

Las teorías de la formación y evolución de los planetas predicen ciertas masas y abundancias de planetas interestelares, o mundos que se desplazan por la galaxia sin estar anclados a una estrella. Las observaciones de MOA y OGLE sugieren que existen más objetos de masa terrestre desplazándose a la deriva por la galaxia de lo que predicen los modelos.

“No hay manera de distinguir, caso por caso, entre los agujeros negros de masa terrestre y los planetas interestelares”, dijo DeRocco. Pero los científicos esperan que Roman encuentre 10 veces más objetos en este rango de masa que los telescopios terrestres. “Roman será extremadamente poderoso para diferenciar entre los dos de manera estadística”.

DeRocco lideró una tentativa para determinar cuántos planetas interestelares deberían estar en ese rango de masa, y cuántos agujeros negros originarios Roman podría distinguir de entre ellos.

Encontrar agujeros negros originarios revelaría nueva información sobre el universo primitivo en sus comienzos, y sugeriría de manera enérgica que efectivamente ocurrió un período inicial de inflación. También podría explicar un pequeño porcentaje de la misteriosa materia oscura que los científicos dicen que constituye la mayor parte de la masa de nuestro universo, pero que hasta ahora no han podido identificar.

“Este es un emocionante ejemplo de algo adicional que los científicos podrían hacer con los datos que Roman obtendrá mientras busca planetas”, dijo Sahu. “Y los resultados son interesantes, independientemente de que los científicos encuentren o no evidencia de que existen agujeros negros de masa terrestre. En cualquier caso, esto servirá para desarrollar nuestra comprensión del universo”.

El telescopio espacial Nancy Grace Roman es administrado desde el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, con la participación del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL, por sus siglas en inglés) de la NASA y Caltech/IPAC en el sur de California, el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore y un equipo integrado por científicos de diversas instituciones de investigación. Los principales socios industriales son BAE Systems, Inc. en Boulder, Colorado; L3Harris Technologies en Rochester, Nueva York; y Teledyne Scientific & Imaging en Thousand Oaks, California.

Por Ashley Balzer

Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland

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