El estudio que derriba una de las mejores explicaciones de la naturaleza del universo

Menos de una billonésima de segundo después del Big Bang, es posible que algunas regiones raras del Universo hayan tenido una densidad de radiación por encima de un valor crítico dentro de su horizonte cósmico, de modo que su autogravedad superó la expansión cósmica y las hizo colapsar en un agujero negro primordial. Los agujeros negros reliquias podrían constituir la materia oscura, el componente dominante de la materia en el Universo. La materia oscura no emite luz y representa el 85% del total de la masa de la materia cósmica.

La masa mínima de los agujeros negros primordiales (PBHs) actuales está por encima de un billón de toneladas, en cuyo caso el tiempo de evaporación de Hawking es mayor que la edad del Universo. La materia oscura compuesta por PBHs con una masa superior a 10.000 billones de toneladas está excluida por estudios de microlentes gravitacionales, ya que tales PBHs habrían iluminado transitoriamente las estrellas de fondo más allá de los límites observacionales. Sin embargo, los PBHs podrían seguir siendo materia oscura en el rango de masas de asteroides de 1 a 10.000 billones de toneladas, por encima de la masa del impactador de Chicxulub que acabó con todos los dinosaurios no avianos.

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Jesús Díaz

Hoy, he escrito un nuevo artículo que muestra que una gran parte del rango de masas restante de los PBHs como posibles componentes de la materia oscura podría estar excluida en base a restricciones dinámicas del Sistema Solar.

Un artículo anterior utilizó datos del efemérides del Sistema Solar para limitar la dependencia temporal de la masa total encerrada dentro de 50 veces la distancia Tierra-Sol. La recopilación de datos incorpora vectores tridimensionales completos de posición y velocidad del Sol, la Luna, los ocho planetas principales, Plutón, los tres asteroides más grandes (Ceres, Pallas y Vesta) y cuatro objetos transneptunianos (Eris, Haumea, Makemake y Sedna), cubriendo más de 400 años de datos.

Teniendo en cuenta la pérdida de masa conocida del Sol en forma de luz, neutrinos y viento solar, así como el pequeño aumento de masa por la caída de material, los datos del efemérides implican que la cantidad de masa en el interior de 50 veces la distancia Tierra-Sol no ha cambiado en más de 50 cuadrillonésimas de una masa solar por año en las últimas décadas.

Si la materia oscura está compuesta por PBHs, entonces el paso temporal de un PBH por el Sistema Solar interior habría introducido una fluctuación transitoria en la masa gravitatoria que afectaría las órbitas de todos los objetos del Sistema Solar fuera de la separación PBH-Sol. Mi artículo estudió la implicación de los límites del efemérides sobre la posibilidad de que los PBHs constituyan materia oscura en el rango de masas de 1 a 10.000 billones de toneladas. Ignoré la posibilidad de una constante de Newton dependiente del tiempo, ya que es poco probable que sus variaciones compensen las fluctuaciones de masa aleatorias introducidas por los PBHs al entrar y salir de una distancia de perihelio dentro de 50 veces la distancia Tierra-Sol en un período de años.

La dinámica de las estrellas de la Vía Láctea proporciona una estimación robusta de la densidad de masa local de materia oscura con un valor de 0,4 masas de protones por centímetro cúbico. La velocidad más probable de la materia oscura en relación con el Sol es de 257 kilómetros por segundo. El número requerido de PBHs locales por unidad de volumen se obtiene dividiendo la densidad de masa medida de la materia oscura por la masa de los PBHs. El producto de la densidad numérica y la velocidad relativa de los PBHs proporciona su flujo, es decir, cuántos de ellos llegan por unidad de tiempo dentro de 50 veces la distancia Tierra-Sol.

La tasa de entrada resultante a esta región es de 10 PBHs por año para una masa de PBH de 100 billones de toneladas, en el medio del rango de masas logarítmico permitido para la materia oscura. Multiplicar la tasa de entrada de PBHs por la masa de los PBHs da la tasa a la que cambia la masa interior como resultado de un solo PBH. Esto, por sí solo, ya resulta ser un orden de magnitud superior al límite del efemérides sobre las fluctuaciones de masa interior. El tiempo de cruce de un PBH es del orden de un año, introduciendo una fluctuación en la masa en un período relevante para ser detectable en los datos del efemérides.

En cualquier momento dado, el número promedio de PBHs encerrados dentro del radio esférico de 50 veces la distancia Tierra-Sol es de 12,6 para una masa de PBH de 100 billones de toneladas. Las fluctuaciones aleatorias del orden de la raíz cuadrada de este número ocurren en la escala de tiempo de cruce de los PBHs de un año. Estas fluctuaciones ascendentes y descendentes tienen una amplitud que es 4 veces mayor que el límite del efemérides, con una ligera dependencia de la raíz cuadrada de la masa de los PBHs y la distancia al Sol.

Los resultados derivados excluyen a los PBHs como materia oscura en el rango de masas previamente permitido para una esfera a 50 veces la distancia Tierra-Sol. En el extremo superior de este rango de masas, se espera que un PBH con una masa de 10.000 billones de toneladas se acerque a menos de 50 veces la distancia Tierra-Sol una vez por década y a menos de 8 veces la distancia Tierra-Sol una vez cada 400 años. En el extremo inferior de masa, hay cientos de PBHs con una masa de 6 billones de toneladas dentro de 50 veces la distancia Tierra-Sol en cualquier momento. El más cercano está a 8,4 veces la distancia entre la Tierra y el Sol en cualquier momento, pero durante 400 años el más cercano llegó más cerca del Sol que Mercurio.

En conjunto, las restricciones dinámicas del efemérides del Sistema Solar excluyen una parte sustancial del rango de masas permitido para los PBHs como materia oscura. Se necesitan simulaciones informáticas futuras para refinar estas restricciones y cómo los PBHs con una distribución de masas amplia afectan los detalles específicos de los datos del efemérides.

Para el artículo científico, haga clic aquí.

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Avi Loeb es jefe del proyecto Galileo, director fundador de la Iniciativa Black Hole de la Universidad de Harvard, director del Instituto para la Teoría y la Computación del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian y autor del bestseller Extraterrestrial: The first sign of intelligent life beyond earth.

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Novaceno publica una columna de Avi Loeb con permiso del autor todas las semanas.