Divulgación ¿Está constituida la Materia Oscura por Agujeros Negros?

[The Higgs Particle]

Ayer estuve en una conferencia de ondas gravitacionales a cargo del físico teórico Juan García-Bellido y, entre todas las cosas que explicó, algo me dejó completamente atónita: los agujeros negros cuya interacción permitieron la detección directa de las ondas gravitacionales podrían ser agujeros negros primordiales (originados en el propio Big Bang, y no en procesos estelares), que hoy en día son sospechosos de constituir la materia oscura.

Buscando fuentes, he encontrado esto de la NASA, sacado hace tan sólo unos días: enlace.

"Depending on the mechanism at work, primordial black holes could have properties very similar to what LIGO detected," Kashlinsky explained. "If we assume this is the case, that LIGO caught a merger of black holes formed in the early universe, we can look at the consequences this has on our understanding of how the cosmos ultimately evolved"

[Alriga]

Re: ¿Está constituida la Materia Oscura por Agujeros Negros?

Sí, la noticia sale en todos los portales de Ciencia desde hace un par de días, por ejemplo LIGO y los agujeros negros como materia oscura

Yo la acojo con alto grado de escepticismo. Después del descubrimiento realizado por LIGO, los papers que se han publicado con ideas peregrinas para aprovechar el minuto de gloria han sido innumerables, un par de ellos aquí: https://forum.lawebdefisica.com/forum/el-aula/relatividad-y-cosmología/12487-ondas-gravitacionales-¿¿detectada-en-ligo-la-primera-onda-gravitacional?p=253584#post253584

La idea de que la materia oscura sea en realidad un conjunto de agujeros negros distribuidos por el universo, es tan vieja como la propia idea de la materia oscura.
Pero yo tenía entendido que si la materia oscura fuese eso, se observarían una enorme cantidad de microlentes gravitatoria en los halos de las galaxias, microlentes que se han buscado por los grandes telescopios y que no se observan, y que por lo tanto esa ausencia refuta que la abundancia de materia oscura necesaria para justificar la curva de rotación galáctica y el valor de la densidad cosmológica, sea debida principalmente a agujeros negros.

De todos modos, permanezcamos atentos.

Saludos.

[Alriga]

Re: ¿Está constituida la Materia Oscura por Agujeros Negros?

La idea de que la materia oscura sea en realidad un conjunto de agujeros negros distribuidos por el universo, es tan vieja como la propia idea de la materia oscura.
Pero yo tenía entendido que si la materia oscura fuese eso, se observarían una enorme cantidad de microlentes gravitatoria en los halos de las galaxias, microlentes que se han buscado por los grandes telescopios y que no se observan, y que por lo tanto esa ausencia refuta que la abundancia de materia oscura necesaria para justificar la curva de rotación galáctica y el valor de la densidad cosmológica, sea debida principalmente a agujeros negros.

Hoy he leído este interesante artículo que argumenta con más datos lo que yo decía arriba,: ¿Agujeros negros como materia oscura? He aquí porqué esa idea se desmorona

Además de las observaciones de microlentes gravitatorias tradicionales, otras observaciones que se oponen a que la materia oscura sea principalmente agujeros negros:

-Ausencia de radiación Hawking
-Observación de microlentes en estallidos de rayos gamma
-Capturas de estrellas de neutrones en cúmulos globulares
-Las observaciones de los fondos cósmicos en microondas y en infrarrojos.

La Ciencia de la Mula Francis también habla del tema,:

" ... Los MACHOs y los agujeros negros de masa estelar no pueden constituir toda la materia oscura del universo. Según los límites actuales podrían constituir una pequeña parte. Más aún, según las teorías de formación del universo la densidad de agujeros negros primordiales de masa estelar es ínfima. Algunos físicos, amparados por los últimos resultados de LIGO sobre fusión de agujeros negros, han puesto en candelero la contribución de los agujeros negros primordiales de masa estelar a la materia oscura. Pero parecen olvidar que dicha idea es antigua y ya fue descartada hace tiempo ..."

" ... Según las estimaciones teóricas los agujeros negros con ~30 masas solares podría dar cuenta de sólo el 0,1% de toda la masa de la materia oscura del universo. Más aún, las estimaciones teóricas indican que la formación de agujeros negros primordiales con ~30 masas solares está fuertemente suprimida; contribuye menos de una parte en cien mil millones a la densidad total de energía del universo, ..."

MACHOs, agujeros negros y materia oscura

Saludos.

[Alriga]

Re: ¿Está constituida la Materia Oscura por Agujeros Negros?

A vueltas con que la materia oscura podrían ser agujeros negros, en este caso con un coautor español (J. R. Espinosa): A Cosmological Signature of the Standard Model Higgs Vacuum Instability: Primordial Black Holes as Dark Matter

Según parece, si un sutil mecanismo del campo de Higgs durante la inflación hubiese producido muchos agujeros negros de masa justa, ni grande ni pequeña, éstos podrían escaparse de las refutaciones que explicábamos en el post anterior.

Lo explica Francis en La formación de agujeros negros primordiales que expliquen la materia oscura

Dice Francis y yo comparto: "... tenemos 'comida' para los físicos y cosmológos teóricos que quieran estudiar en detalle la nueva idea. Si queréis mi opinión, creo que está bastante cogida con alfileres y que los futuros estudios acabarán descartándola. Sin embargo, espero estar equivocado. ¡Soñemos con que Espinosa obtenga un futuro Premio Nobel de Física por haber resuelto el misterio de la materia oscura! Recordad, soñar es gratis ..."

Saludos.

[Visitante]

Re: ¿Está constituida la Materia Oscura por Agujeros Negros?

He hecho un pequeño calculo para ver si los agujeros negros
cuanticos pueden constituir la materia oscura en base a las
formulas de Cristofano...por si a alguien le interesa.

¿Cual es la masa minima de un ANC para que su tiempo de vida
sea superior a 14000 Maños?
M(min) = 1.9 x 10^14 gr.
¿Que area del horizonte de sucesos tiene?
A = 1.008 x 10^-26 cm2.
¿Cual es la masa maxima de un ANC para que no pueda interactuar
con la materia ordinaria?
M(max) = 0.43 x 10^14 gr.

Aqui ya tenemos un problema...

Suponiendo una Masa de 1.9 x 10^14 gr.
¿A que temperatura radia?
T = 6.43 x 10^11 K.
¿A que longitud de onda se produce el maximo de radiacion?
L = 4.36 x 10^-13 cm.
(Esto corresponde a rayos gamma duros).
¿Con que Potencia radia?
P = 9.69 10^9 W

¿Cuantos de estos ANC deben haber para
justificar una masa de 3 billones de masas solares?
N = 3 x 10^31 ANC.

En un cubo de 200000 años.luz de lado. ¿Cual es la densidad de ANC por
Km^3 para justificar 3 billones de masa solares?
D = 4.2 x 10^-24 ANC/Km^3.

En un cubo de 60 UA de lado (el doble del radio de la orbita de
Neptuno) ¿Cuantos ANC deberian haber?
N = 3228000 ANC

Con estos datos, ¿A que distancia podrian no ser detectados?

Un saludo.

[Fortuna]

Re: ¿Está constituida la Materia Oscura por Agujeros Negros?

El tamaño de esos objetos es 7,4E-13m, inferior al radio de Bohr.
[nota especulativa]
Aunque estimo que hay entre $10^{10}$ y $10^{17}$ ANP por cada $pc^3$, es casi imposible que colisionen entre ellos. Más bien podrían caer en alguna estrella o planeta. Si un ANP se estrella contra la tierra, probablemente ni lo notemos, excepto por la ionización que produce al tragarse electrones, (no formará ni discos de acreeción ni nada parecido puesto que su gravedad es despreciable). Engordaría en función del tiempo que tarde en cruzar la tierra de un extremo a otro (no lo he calculado, pero creo que sería despreciable respecto a la masa del propio AGP). En algunos casos podría tragarse electrones o núcleos por separado lo que generaría rayos x o uv. Aunque no creo que sea muy probable que rompa núcleos atómicos por las escalas de tiempo y porque su tamaño es muy superior al de ellos. ¿De donde sale la radiación gamma que deciis?, no lo veo claro.
[/nota especulativa]

[Alriga]

Re: ¿Está constituida la Materia Oscura por Agujeros Negros?

... ¿De donde sale la radiación gamma que decís?, no lo veo claro ...

Creo que cuando dicen que una de las observaciones que se opone a que la materia oscura sea principalmente agujeros negros es la "Observación de microlentes en estallidos de rayos gamma", se podrían referir a lo siguiente: Según leo en Distortion of gamma-ray burst light curves by gravitational microlensing el fenómeno de microlente gravitatoria en estrellas y galaxias desdobla los estallidos de rayos gamma procedentes de distancias cosmológicas en más de una imagen. Es un fenómeno que se lleva estudiando desde hace mucho, por ejemplo este estudio es de 1992: Gravitational microlensing of gamma-ray bursts

Si hubiese 5 veces más masa oscura en forma de agujeros negros que masa bariónica, debería haber muchísimos agujeros negros y esas imágenes múltiples de los estallidos de rayos gamma que se producen detrás de ellos se detectarían. Tal vez para evitarlo J. R. Espinosa et al. eligen cuidadosamente el rango de masa=tamaño de sus agujeros negros, ni muy pequeños para que su evaporación impida detectarlos, ni muy grandes para que no produzcan lentes gravitacionales.

Saludos.

[Fortuna]

Re: ¿Está constituida la Materia Oscura por Agujeros Negros?

Creo que cuando dicen que una de las observaciones que se opone a que la materia oscura sea principalmente agujeros negros es la "Observación de microlentes en estallidos de rayos gamma", se podrían referir a lo siguiente: Según leo en Distortion of gamma-ray burst light curves by gravitational microlensing el fenómeno de microlente gravitatoria en estrellas y galaxias desdobla los estallidos de rayos gamma procedentes de distancias cosmológicas en más de una imagen. Es un fenómeno que se lleva estudiando desde hace mucho, por ejemplo este estudio es de 1992: Gravitational microlensing of gamma-ray bursts

Si hubiese 5 veces más masa oscura en forma de agujeros negros que masa bariónica, debería haber muchísimos agujeros negros y esas imágenes múltiples de los estallidos de rayos gamma que se producen detrás de ellos se detectarían. Tal vez para evitarlo J. R. Espinosa et al. eligen cuidadosamente el rango de masa=tamaño de sus agujeros negros, ni muy pequeños para que su evaporación impida detectarlos, ni muy grandes para que no produzcan lentes gravitacionales.

Saludos.

PD. Vale, había interpretado mal tu respuesta. Pero como ya he preparado una respuesta, pues aquí pongo lo que tenía escrito , que confirma lo que dices, respecto a rayos gamma, pero en cambio, sí debe notarse en otros rangos de frecuencia y de hecho, es así como se detecta la materia oscura por efecto lente gravitacional.

___________________

Corrígeme, si me equivoco puesto que son ideas nuevas y hay poco escrito al respecto y tengo una gran facilidad para equivocarme. Creo que uno de los artículos se refiere a agujeros negros de masa solar y el otro de supermasivos aquí tenemos agujeros negros primordiales de masas $2.5\cdot 10^{-13}M_{\sun}$ lo que corresponde a radios de Schwarzschild de dimensiones subatómicas $7.5\cdot 10^{-13}m$ pero muy por encima de los radios nucleares y por los datos que recopilé sobre materia oscura, muchas galaxias espiarales tienen densidades de materia oscura entre $0.5M_{\sun} {pc}^{-3}$ y $10^{-2}M_{\sun} {pc}^{-3}$ (aunque ese dato aumentaría si la materia oscura galáctica se distribuye también principalmente en el plano galáctico, con lo cual hablaríamos de densidad superficial en lugar de volumétrica a cambio de cambiar el concepto de halo oscuro por una extensión de la superficie galáctica, pero olvidemos esto de momento). Pasando de unidades de masas solares a unidades de masas de AGP (agujeros negros primordiales), nos da una densidad de AGP por parsec cúbico en un factor de $\approx 10^{12}$ mayor, es decir en el rango $0.5\cdot 10^{12}$ a $0.5\cdot 10^{10} {ANP}pc^{-3}$ para una galaxia como la Vía lactea, pero estos datos pueden ser muy superiores en otras galaxias, hasta $10^5M_{\sun} pc^{-3}$ según mis datos. Ello nos el rango que puse antes. $10^{10},10^{17}AGP {pc}^{-3}$.

A nivel galáctico, con un parámetro de impacto tan pequeño como una fracción del radio atómico, y esa cantidad de AGP por parsec cúbico, parece que tendríamos que tener mucha suerte para detectar un sólo fotón de rayos gamma que pasa justo por el horizonte de sucesos de un ANP puesto que si cambia lo más mínimo la trayectoria del fotón, lo más probable es que no sea afectado y como segunda posibilidad, se lo "tragaría". A no ser que tengamos una fuente de rayos gamma muy intensa, veo difícil que notemos sus efectos de lente gravitacional. En cambio, en el rango visible-infrartojo, donde hay un flujo muy elevado de fotones, y sobre todo en el CMB, esto sí es mucho más probable.

Opino que una prueba de existencia de estos objetos sería cuando atraviesan nubes de gas o polvo, deberían dejar un rastro de rayos x o uv al tragarse electrones de átomos neutros, como si de una cámara de niebla se tratase, pero con trayectorias lineales. Pero creo que tampoco sería detectable. Pero si miramos al fondo de microondas en direcciones donde no se vea polvo, estrellas o galaxias, podríamos ver ciertas duplicaciones de regiones del mismo.

Bueeeno. No sé si lo que he escrito es pseudociencia y tal vez sea una burrada monumental. Así que no me hagais mucho caso. Si algún administrador opina que es así, pues se lleva a la basura sin problemas.

[Alriga]

Re: ¿Está constituida la Materia Oscura por Agujeros Negros?

... cuando dicen que una de las observaciones que se opone a que la materia oscura sea principalmente agujeros negros es la "Observación de microlentes en estallidos de rayos gamma", se podrían referir a ...

Esta mañana no he sido capaz de encontrar donde había leído este tema, ahora por fin sí, New constraints on primordial black holes abundance from femtolensing of gamma-ray bursts en donde dice:

"La abundancia de agujeros negros primordiales está actualmente significativamente limitada en un amplio rango de masas. Los límites más débiles se establecen para los objetos de pequeña masa, donde la pequeña intensidad del fenómeno físico asociado supone un reto para los experimentos actuales. Nosotros hemos usado ráfagas de rayos gamma de corrimiento al rojo conocido detectados por el Fermi Gamma-ray Burst Monitor (GBM) para buscar los efectos de femtolensing causados por objetos compactos. La falta de detección de femtolensing en los datos de GBM proporciona nueva evidencia de que los agujeros negros primordiales en el rango de masa $5 \times 10^{17}$ - $10^{20}$ gramos no constituyen una fracción importante de materia oscura"

Por lo tanto este estudio de Fermi excluye agujeros negros entre $\notcien{2.5}{-16}\ M_{\sun}$ y $\notcien{5}{-14}\ M_{\sun}$. El estudio de J. R. Espinosa et al. sitúa sus agujeros negros justo por debajo de este límite, y así se "salva"

... aquí tenemos agujeros negros primordiales de masas $2.5\cdot 10^{-13} \ M_{\sun}$ ...

Sin con "aquí" te refieres al paper de Espinosa, creo que son $2.5\cdot 10^{-16} \ M_{\sun}$ = $5\cdot 10^{17} \ g$ Creo que te interesará Inflationary Primordial Black Holes as All Dark Matter

Este es el gráfico del paper de Espinosa, ellos sitúan sus agujeros negros primordiales en la zona roja. Para que sean una cantidad significativa respecto del total de la materia oscura, hay que situarse en la parte alta de la zona roja, donde el rango de masas posibles se va haciendo más estrecho. Y aún así en el pico solo serían una centésima parte de toda la materia oscura. No me extraña que Francis diga que esto está "cogido con alfileres"


FIG. 3: The spectrum of PBHs at formation generated by the
mechanism we discuss (in red), superimposed with the experimental
constraints on monocromatic spectra of PBH (from
Ref. [19] and references therein): in yellow, the observations
of extra-galactic γ-ray background; in blue, femto-, micro- and
milli- lensing observations from Fermi, Eros, Kepler, Subaru
HSC; in green, dynamical constraints from White Dwarves
and Ultra-Faint Dwarf galaxies; in orange, constraints from
the CMB.

La zona excluida por Fermi, + Eros, Kepler, Subaru HSC de la que hablábamos arriba es la azul rotulada "Femto"

Saludos.

[Fortuna]

Re: ¿Está constituida la Materia Oscura por Agujeros Negros?

Si con "aquí" te refieres al paper de Espinosa, creo que son $2.5\cdot 10^{-16} \ M_{\sun}$ = $5\cdot 10^{17} \ g$ Creo que te interesará Inflationary Primordial Black Holes as All Dark Matter

Correcto, pensé que se daba la masa en Kg.

Voy a intentar leer el paper completo a ver si me entero de algo.

Oftopic. Si tenemos un S.I. de medidas, y la notación científica, no sé por que cada campo de la física cada uno toma las unidades que les sale del @!#@!#@!. No me extraña haber perdido una sonda a Marte por este motivo. Concretamente en Astronomía, las unidades son totalmente incompatibles unas con otras: Larsec, M:masas solares, densidad:g/cm3, energía en MeV. y así vamos.

Saludos.

[Alriga]

Re: ¿Está constituida la Materia Oscura por Agujeros Negros?

... Correcto, pensé que se daba la masa en Kg.

Oftopic. Si tenemos un S.I. de medidas, y la notación científica, no sé por que cada campo de la física cada uno toma las unidades que les sale del @!#@!#@!. No me extraña haber perdido una sonda a Marte por este motivo. Concretamente en Astronomía, las unidades son totalmente incompatibles unas con otras: Larsec, M:masas solares, densidad:g/cm3, energía en MeV. y así vamos ...

Je, je, estoy contigo. En cuanto a lo de las masas solares y los MeV soy magnánimo y los puedo perdonar a veces porque en algún contexto pueden ser ilustrativas, pero ¿el sistema CGS? ¿Qué más les da decir como un señor $5\cdot 10^{14} \ kg$ que como una reliquia del pasado $5\cdot 10^{17} \ g$?

Recuerdo que este tema yo también lo comenté sorprendido aquí:

... Finalmente, he encontrado el valor de la potencia de pico máxima en uno de los papers de LIGO, dicen que fue $3.6 \cdot 10^{56} \ erg/s$
(Me ha parecido curioso que den el valor en ergios, el sistema CGS debe ser común entre cosmólogos, pues por ejemplo en los libros que he leído de Eduardo Battaner usa también mucho ergios, gramos y centímetros)...

Saludos.

[Alriga]

Re: ¿Está constituida la Materia Oscura por Agujeros Negros?

Un nuevo estudio vuelve a descartar que la materia oscura esté compuesta principalmente de miniagujeros negros primordiales. Si la materia oscura estuviese compuesta principalmente por miniagujeros negros, estos se distribuirían esferoidalmente en torno a nuestra Galaxia y a la de Andrómeda:

Un equipo internacional de investigadores, dirigido por el Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo, (Investigador Principal Masahiro Takada, el estudiante doctorando Hiroko Niikura y el Profesor Naoki Yasuda), e incluyendo investigadores de Japón, India y los Estados Unidos, han utilizado el efecto de lente gravitacional para buscar agujeros negros primordiales entre la Tierra y la galaxia de Andrómeda.

Estos efectos lente gravitacional serían eventos raros porque requieren que una estrella en la galaxia de Andrómeda, un agujero negro primordial que actúa como lente gravitacional y un observador en la Tierra estén exactamente alineadoss. Así que para maximizar las posibilidades de capturar un evento, los investigadores utilizaron la cámara digital Hyper Suprime-Cam (HSC) del gran telescopio Subaru en Hawai, que puede capturar toda la imagen de la galaxia de Andrómeda a la vez. Teniendo en cuenta la rapidez con la que se espera que los agujeros negros primordiales se muevan por el espacio interestelar, el equipo tomó varias imágenes para poder captar el parpadeo de una estrella mientras se ilumina durante un período que puede ir de unos minutos a horas debido a una lente gravitacional.

De 190 imágenes consecutivas de la galaxia de Andrómeda tomadas durante siete horas durante una noche despejada, el equipo revisó los datos en busca de posibles eventos de lentes gravitacionales. Si la materia oscura consiste principalmente en agujeros negros primordiales de masa inferior a la de la Luna, los investigadores deberían haber encontrado unos 1000 eventos. Pero tras cuidadosos análisis, solo pudieron identificar un caso. Por lo tanto, los resultados muestran que los miniagujeros negros primordiales no pueden aportar más del 0,1% de toda la masa de materia oscura necesaria para explicar la curva de rotación de las galaxias.

El artículo se acaba de publicar en Nature Astronomy y puede consultarse el preprint de arxiv en Microlensing constraints on primordial black holes with the Subaru/HSC Andromeda observation

Saludos.