En un nuevo estudio, físicos del MIT proponen que si la mayor parte de la materia oscura del universo está compuesta de agujeros negros primordiales microscópicos (una idea propuesta por primera vez en la década de 1970), entonces estas enanas gravitacionales deberían atravesar nuestro sistema solar al menos una vez. cada década. Los investigadores predicen que tal sobrevuelo introduciría una perturbación en la órbita de Marte, que la tecnología actual realmente puede detectar.
Tal detección podría respaldar la idea de que los agujeros negros primordiales son una fuente primaria de materia oscura en todo el universo.
“Dadas las décadas de telemetría de precisión, los científicos conocen la distancia entre la Tierra y Marte con una precisión de unos 10 centímetros”, dijo el autor del estudio David Kaiser, profesor de física y profesor Germeshausen de Historia de la Ciencia en el MIT. “Estamos aprovechando esta región del espacio altamente instrumentada para intentar buscar un pequeño efecto. Si lo vemos, será una razón real para perseguir la apasionante idea de que toda la materia oscura está compuesta de agujeros negros después del Gran Bang se formó en menos de un segundo y ha estado fluyendo alrededor del universo durante 14 mil millones de años”.
Kaiser y sus colegas informan sus hallazgos hoy en el Journal Revisión física d. El estudio fue coautor del autor principal Tung Tran ’24, ahora estudiante de posgrado en la Universidad de Stanford; Sarah Geller ’12, SM ’17, PhD ’23, que ahora es postdoctorada en la Universidad de California, Santa Cruz; y Benjamin Lehman, miembro del MIT Pappalardo.
fuera de partículas
Menos del 20 por ciento de toda la materia física se origina en el fregadero de la cocina, en objetos visibles, estrellas y planetas. El resto está formado por materia oscura, una forma ficticia invisible en todo el espectro electromagnético pero que se cree que impregna el universo y ejerce una fuerza gravitacional lo suficientemente grande como para afectar los movimientos de las estrellas y galaxias.
Los físicos han colocado detectores en la Tierra para identificar la materia oscura y precisar sus propiedades. En la mayoría de los casos, estos experimentos suponen que la materia oscura existe como una forma de partículas extrañas que pueden dispersarse y descomponerse en partículas observables a medida que pasan por un experimento determinado. Pero hasta ahora, estas búsquedas basadas en partículas no han dado resultados.
En los últimos años, otra posibilidad, propuesta por primera vez en la década de 1970, ha recobrado fuerza: en lugar de tomar la forma de una partícula, la materia oscura puede existir como agujeros negros microscópicos y primordiales que se formaron en los primeros momentos después del Big Bang. A diferencia de los agujeros negros astrofísicos que se forman a partir del colapso de estrellas viejas, los agujeros negros primordiales se formaron a partir del colapso de densas bolsas de gas en el universo primitivo y se extendieron por el cosmos a medida que el universo se expandió y enfrió.
Estos agujeros negros primordiales habrían colapsado una enorme cantidad de masa en un espacio diminuto. Muchos de estos agujeros negros primordiales pueden ser tan pequeños como un solo átomo y tan masivos como el asteroide más grande. Entonces sería concebible que gigantes tan pequeños pudieran ejercer una fuerza gravitacional que podría explicar al menos una parte de la materia oscura. Para el equipo del MIT, esta posibilidad planteó inicialmente una cuestión trivial.
“Creo que alguien me preguntó qué pasaría si un agujero negro primordial atravesara un cuerpo humano”, recuerda Tung, quien hizo un rápido cálculo con lápiz y papel de lo que sucedería si ese agujero negro estuviera a menos de 1 metro de una persona. En un segundo, la fuerza del agujero negro empujará a la persona a 6 metros o unos 20 pies de distancia en un segundo. Tung también descubrió que es astronómicamente improbable que un agujero negro primordial pase cerca de un individuo en la Tierra.
Intrigados, los investigadores llevaron los cálculos de Tung un paso más allá, para ver cómo el sobrevuelo de un agujero negro podría afectar a cuerpos mucho más grandes como la Tierra y la Luna.
“Extrapolamos lo que sucedería si un agujero negro pasara cerca de la Tierra y sacudiera un poco la Luna”, dijo Tung. “Las cifras que obtuvimos no eran muy claras. Hay muchas otras dinámicas en el sistema solar que podrían actuar como una especie de fricción que podría amortiguar el doblete”.
Encuentro cercano
Para obtener una imagen más clara, el equipo creó una simulación relativamente simple del sistema solar que incluía las órbitas y las interacciones gravitacionales entre todos los planetas y algunas de las lunas más grandes.
“Las simulaciones sofisticadas del Sistema Solar incluyen más de un millón de objetos, cada uno con un pequeño efecto residual”, señala Lehmann. “Pero incluso después de modelar dos docenas de objetos en una simulación cuidadosa, pudimos ver que había un efecto real en el que podíamos profundizar”.
El equipo determinó qué agujero negro primordial tendría que atravesar el sistema solar, la cantidad de materia oscura que habita en una región determinada del espacio y la masa de un agujero negro que pasara, que, en este caso, asumieron que era tan masivo como el asteroide más grande del sistema solar, junto con otras limitaciones astrofísicas compatibles.
“Los agujeros negros primordiales no viven en el sistema solar. Más bien, vagan por el universo, haciendo lo suyo”, dijo la coautora Sarah Geller. “Y lo más probable es que estén pasando a través del sistema solar interior en un ángulo una vez cada 10 años aproximadamente”.
Dada esta velocidad, los investigadores simularon varios agujeros negros con masa de asteroides volando a través del sistema solar desde diferentes ángulos y a velocidades de aproximadamente 150 millas por segundo. (Las direcciones y velocidades provienen de otros estudios sobre la distribución de la materia oscura en nuestra galaxia). Se concentraron en sobrevuelos que fueron “encuentros cercanos” o casos que causaron algún tipo de impacto en la materia cercana. Rápidamente descubrieron que cualquier influencia de la Tierra o la Luna era demasiado incierta para precisar un agujero negro específico. Pero Marte parece ofrecer una imagen más clara.
Los investigadores descubrieron que si un agujero negro primordial se acercara a unos cientos de millones de kilómetros de Marte, la colisión iniciaría una “doble” o ligera desviación en la órbita de Marte. A los pocos años de tal encuentro, la órbita de Marte debería desplazarse alrededor de un metro, una oscilación increíblemente pequeña, dado que el planeta está a más de 140 millones de millas de la Tierra. Y, sin embargo, esta oscilación puede detectarse mediante diversos instrumentos de alta precisión que hoy observan Marte.
Si se detecta tal oscilación en las próximas décadas, los investigadores admiten que aún sería necesario mucho trabajo para garantizar que el choque proceda de un agujero negro que pasa en lugar de un asteroide común y corriente.
“Necesitamos tanta claridad sobre el contexto esperado, como el movimiento general y la distribución de las rocas espaciales perturbadoras, frente a estos agujeros negros primordiales”, señala Kaiser. “Afortunadamente para nosotros, los astrónomos han estado siguiendo rocas espaciales ordinarias que vuelan a través de nuestro sistema solar durante décadas, por lo que podemos calcular las características generales de sus trayectorias y comenzar a compararlas con los diferentes tipos de trayectorias y velocidades de los agujeros negros primordiales. .
Para ayudar con esto, los investigadores están explorando la posibilidad de una nueva colaboración con un grupo que tiene una amplia experiencia en la simulación de muchos otros objetos del sistema solar.
“Ahora estamos trabajando para simular una gran cantidad de objetos, desde planetas hasta lunas y rocas, y cómo se mueven en escalas de tiempo largas”, dijo Geller. “Queremos inyectar escenarios de encuentros cercanos y ver sus efectos con mayor precisión”.
Este trabajo fue apoyado en parte por el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., incluida una beca postdoctoral en ciencias físicas y matemáticas de la NSF.