Por qué los agujeros negros pueden constituir toda la materia oscura

Materia oscura

Ningún experimento terrestre ha observado signos de partículas de materia oscura. Tal vez debido a que la materia oscura es una cosa totalmente distinta.

La materia oscura es el misterioso material que los cosmólogos creen que llena nuestro universo. Las pruebas de su existencia son que no hay suficiente masa visible para mantener unidas las galaxias. Pero dado que es manifiesto que las galaxias no se desmiembran, debe haber un material invisible, algo de masa perdida, que genere la fuerza gravitatoria para mantenerlas unidas.

Pero hay un problema con esta idea. Dos, de hecho. El primero es que la mejor apuesta de los físicos sobre las leyes de la física da una buena descripción de todas las partículas descubiertas hasta el momento, y no se espera que se descubran muchas pronto. El problema es que ninguna de estas partículas tiene las propiedades adecuadas para ser materia oscura, es decir, ser eléctricamente neutra, de vida larga y movimiento lento. Pero ninguna de las partículas conocidas o de las teorizadas encaja bien. Para hacer sitio a las partículas de materia oscura, las leyes de la física deben cambiar de una forma con la que muchos teóricos no se sienten a gusto.

Segundo, a pesar de una década de búsqueda de materia oscura con experimentos que cuestan decenas de millones de dólares, nadie le ha echado el ojo a la materia. La mayor parte de físicos creen que estos experimentos no han encontrado nada, cero.

Es difícil escapar a la conclusión de que se necesita otra explicación para la masa perdida.

Te presento a Paul Frampton de la Universidad de Carolina del Norte y a sus colegas. La sugerencia de Frampton es que la masa perdida está hecha de agujeros negros que son demasiado pequeños para verlos directamente, pero demasiado grandes para haberse evaporado debido a la radiación de Hawking.

Pero esta idea es algo más que otra apuesta loca. Frampton y sus compañeros tienen un argumento interesante basado en la entropía para respaldar sus afirmaciones. Es algo así.

Primero determinan qué entopía máxima podría tener el universo, imaginando que todo el universo visible es un gigantesco agujero negro. La respuesta resultó ser 10123, un número realmente grande. Por lo que ese es el límite superior que puede tener la entropía.

Luego, calcularon un límite inferior sumando la entropía de todos los agujeros negros conocidos en el universo. Lo calcularon suponiendo que hay un agujero negro gigante en el centro de cada galaxia, una visión que cada vez es mantenida por más astrofísicos.

Eso da la cifra de 10103, muchos órdenes de magnitud menos.

Esto es una gran cantidad de entropía, está claro, pero Frampton y sus colegas creen que es improbable que sea el principal contribuyente de nuestro universo. “Cada agujero negro supermasivo tiene aproximadamente el tamaño de nuestro Sistema Solar o menos, y es intuitivamente improbable que, básicamente, toda la entropía esté tan concentrada”, comenta. Por lo que otra cosa debe estar generando entropía en algún sitio.

No puede ser la materia visible dado que los cálculos convencionales indican que la entropía suma sólo 1088. Lo que falta es la entropía de la masa oscura perdida.

¿Qué tipo de agujeros negros podrían ser responsables de esto? Resulta que cualquier agujero negro mayor de 106 masas solares causaría que la materia cercana cayese en espiral hacia él, evitando que se formasen las galaxias. Cualquiera menor de 10-8 masas solares se habría evaporado.

Por lo que la conclusión es que la materia oscura está hecha de agujeros negros con una masa entre 106 y 10-8 masas solares.

Pero también hay un problema con esta idea. ¿Cómo podría haber surgido un número tan grande de agujeros negros en los inicios del universo? Algo debió provocar que la materia se agrupase a esta escala para formar los agujeros negros. Pero no hay nada que indique cómo podría haber sucedido esto en la actual teoría de la inflación, que describe cómo creció el joven universo.

Eso lo resuelven fácilmente Frampton y sus colegas: debe haber dos periodos de inflación. El primero llevó a la estructura a gran escala del universo que vemos y ha sido medida por naves como WMAP. El segundo llevó a la acumulación que creó grandes números de agujeros negros primordiales de tamaño medio.

Esta es una explicación algo más fácil de digerir que una en la que deben cambiar las leyes de la física para crear nuevas partículas de materia oscura. Pero sólo un poco.

No obstante las ideas de Frampton pueden comprobarse buscando pruebas de estos agujeros negros primordiales, que deberían causar eventos de microlente: es decir, su gravedad debería enfocar la luz de estrellas por detrás de ellos vistas desde la Tierra.

Ese tipo de medidas se están haciendo más fáciles por lo que debería ser posible aceptar o rechazar las ideas de Frampton en un futuro no muy lejano.


Artículos de Referencia: arxiv.org/abs/1003.3356: Black Holes Constitute All Dark Matter arxiv.org/abs/1001.2308: Primordial Black Holes As All Dark Matter

Fecha Original: 22 de marzo de 2010
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Comments (13)

  1. Fer137

    ” La respuesta resultó ser 10^123, un número realmente grande. Por lo que ese es el límite superior que puede tener la entropía.
    Luego, calcularon un límite inferior sumando la entropía de todos los agujeros negros conocidos en el universo. Lo calcularon suponiendo que hay un agujero negro gigante en el centro de cada galaxia, una visión que cada vez es mantenida por más astrofísicos.
    Eso da la cifra de 10^103, muchos órdenes de magnitud menos.
    Esto es una gran cantidad de entropía, está claro, pero Frampton y sus colegas creen que es improbable que sea el principal contribuyente de nuestro universo. “Cada agujero negro supermasivo tiene aproximadamente el tamaño de nuestro Sistema Solar o menos, y es intuitivamente improbable que, básicamente, toda la entropía esté tan concentrada”, ”

    Parece un razonamiento erroneo. La entropia de un agujero negro es proporcional al cuadrado de la masa. Por eso la mayor parte de la entropia correponde a los supermasivos. Si se coge todo el Universo como agujero negro (esa cifra de 120^123) es matematicamente absurdo esperar que trozeando esa masa se pueda alcanzar esa cifra. Es algo del estilo (2+2)^2 = 16 en relación a 2^2+2^2=8, el cuadrado de la suma siempre es mayor que la suma de los cuadrados.

    • Fer137

      Ejemplo: Supongamos un supermasivo de 10.000 masas solares, su entropia, proporcional a la masa al cuadrado, sería de 100.000.000x. Ahora si dividimos ese supermasivo en 1000 agujeros megros de 10 masas solares su entropia conjunta solo sería de 100.000x.

    • Jurl

      Dos votos a favor de que éstos buscan subvenciones con una idea peregrina xD

      A mí lo que me repatea, es la jeta que hay que echarle de “ahora esto vale – ahora esto no vale”. Cuando conviene al Big Bang, tomamos como válidas condiciones de contorno, cuando no vale, fuera. A mí esto me recuerda a cuando tenías que hacer problemas y no tenías ni puta idea, probabas con todo a lo loco a ver con qué fórmulas te acercabas a la solución… xDD

    • Efectivamente, siguiendo con tus cálculos, la relación entre el cuadrado de la suma y la suma de los cuadrados tiende al nº de cuadrados, esto es 10¹²³/10¹⁰³=10²⁰ que seria el nº de agujeros negros que consideramos que hay en el universo.
      Es sobre la diferencia entre 10²⁰ y el nº de galaxias conocidas (vs. agujeros negros) sobre la que recae la cantidad de agujeros negros de materia oscura, llamemos les agujeros súper-negros (diferente de súper agujeros negros).
      Con lo cual considero que la idea básica era correcta.
      Lo que realmente nos interesa es la relación entre masa y materia oscura que se estima en 30/70. Si la masa de esos agujeros súper-negros esta en esta relación estaríamos en el buen camino para encontrar la materia invisible de las galaxias.
      gracias……………………..

  2. Un intento más de explicar, lo que por el momento, no tiene explicación alguna. Todo son conjeturas, hipótesis y “teorías” que van y vienen a medida que el tiempo pasa sin encontrar una explicación satisfactoria a un fenómeno inexplicable que los cosmólogos y astrónomos quieren (no pocas veces “como sea”), contestar una pregunta formulada hace mucho tiempo ya, y, que de momento, no tiene una contestación científica creíble.

    Leyendo el artículo y a los arguimentos que se agarra para explicar algo que ignoramos, tengo que volver a los que posiblemente son los objetos más misteriosos de nuestro Universo: Los agujeros negros. Si estos objetos son lo que se dice (no parece que se pueda objetar nada en contrario), seguramente serán ellos los que, finalmente, nos faciliten las respuestas sobre las ondas gravitacionales y el esquivo gravitón pero, ahora, estos científicos pretenden, además, que nos explique la materia oscura y, seguramente, será mucho pedirles a estos extraños objetos.

    La onda gravitacional emitida por el agujero negro produce una ondulación en la curvatura del espacio-temporal que viaja a la velocidad de la luz transportada por los gravitones. Claro que, si esos agujeros negros son tan pequeños como los que aquí nos proponen…la posibilidad de captar esas ondas es más pequeña.

    Hay aspectos de la física que me dejan totalmente sin habla, me obligan a pensar y me transporta de este mundo material nuestro a otro fascinante donde residen las maravillas del Universo.

    Hay magnitudes asociadas con las leyes de la gravedad cuántica. La longitud de Planck-Wheeler, es la escala de longitud por debajo de la cual el espacio tal como lo conocemos deja de existir y se convierte en espuma cuántica.

    El tiempo de Planck-Wheeler (1/c veces la longitud de Planck-Wheeler o aproximadamente 10 exp.-43 segundos), es el intervalo de tiempo más corto que puede existir; si dos sucesos están separados por menos que esto, no se puede decir cuál sucede antes y cuál después. El área de Planck-Wheeler (el cuadrado de la longitud de Planck-Wheeler, es decir, 2,61×10 exp.-66 cm2) juega un papel clave en la entropía de un agujero negro.

    Me llama poderosamente la atención lo que conocemos como las fluctuaciones de vacío, esas oscilaciones aleatorias, impredecibles e ineliminables de un campo (electromagnético o gravitatorio), que son debidas a un tira y afloja en el que pequeñas regiones del espacio toman prestada momentáneamente energía de regiones adyacentes y luego la devuelven.

    Ordinariamente, definimos el vacío como el espacio en el que hay una baja presión de un gas, es decir, relativamente pocos átomos o moléculas. En ese sentido, un vacío perfecto no contendría ningún átomo o molécula, pero no se puede obtener, ya que todos los materiales que rodean ese espacio tienen una presión de vapor finita. En un bajo vacío, la presión se reduce hasta 10 exp.-2 pascales, mientras que un alto vacío tiene una presión de 10 exp. -2-10 exp. -7 pascales. Por debajo de 10 exp.-7 pascales se conoce como un vacío ultraalto.

    Claro que, según creo yo personalmente, ese vacío, finalmente, resultará que esta demasiado lleno, hasta el punto de que, su contenido, nos manda mensajes que, aunque hemos captado, no sabemos descifrar y, sin embargo, nos empeñamos en buscar la materia oscura en extrañas partículas, agujeros negros minúsculos y otros objetos difíciles de encontrar que, de esa manera, admiten cualquier teoría que queramos lanzar al aire para que, durante un tiempo, tengamos de qué comentar.

    Pero volvamos de nuevo a las fluctuaciones de vacío que, al igual que las ondas “reales” de energía positiva, están sujetas a las leyes de la dualidad onda/partícula; es decir, tienen tanto aspectos de onda como aspectos de partícula.

    Las ondas fluctúan de forma aleatoria e impredecible, con energía positiva momentáneamente aquí, energía negativa momentáneamente allí, y energía cero en promedio. El aspecto de partícula está incorporado en el concepto de partículas virtuales, es decir, partículas que pueden nacer en pares (dos partículas a un tiempo), viviendo momentáneamente de la energía fluctuacional tomada prestada de regiones “vecinas del espacio”, y que luego se aniquilan y desaparecen, devolviendo la energía a esas regiones vecinas.

    Si hablamos de fluctuaciones electromagnéticas del vacío las partículas virtuales son fotones virtuales; en el caso de fluctuaciones de la Gravedad en el vacío, son gravitones virtuales. Claro que, en realidad, sabemos poco de esas “regiones vecinas” de las que tales fluctuaciones toman la energía. ¿Qué es lo que hay allí? ¿Está en esa región la tan buscada partícula de Higgs?

    En realidad sabemos que las fluctuaciones de vacío son, para las ondas electromagnéticas y gravitatorias, lo que “los movimientos de degeneración claustrofóbicos” son para los electrones.

    Si confinamos un electrón a una pequeña región del espacio, entonces, por mucho que uno trate de frenarlo y detenerlo, el electrón está obligado por las leyes de la mecánica cuántica (principio de exclusión de Pauli) a continuar moviéndose aleatoriamente, de forma impredecible.

    Este movimiento de degeneración claustrofóbico que produce la presión mediante la que una estrella enana blanca se mantiene contra su propia compresión gravitatoria o, en el mismo caso, la degeneración de los neutrones, mantiene estable a la estrella de neutrones que, obligada por la fuerza que se genera de la degeneración de los neutrones, es posible frenar la enorme fuerza de gravedad que está comprimiendo a la estrella.

    De la misma forma, si tratamos de eliminar todas las oscilaciones electromagnéticas o gravitatorias de alguna región del espacio, nunca tendremos éxito. Las leyes de la mecánica cuántica insisten en que siempre quedarán algunas oscilaciones aleatorias impredecibles, es decir, algunas ondas electromagnéticas y gravitatorias aleatorias e impredecibles.

    Estas fluctuaciones del vacío no pueden ser frenadas eliminando su energía (aunque algunos estiman que, en promedio, no contienen energía en absoluto).

    Claro que, como antes decía, aún nadie ha podido medir de ninguna manera la cantidad real de energía que se escapa de ese supuesto “vacío”, como tampoco se ha medido la cantidad de fuerza gravitatoria que puede salir de ese mismo “espacio vacío”.

    Si la energía es masa y si la masa produce gravedad, entonces ¿Qué es lo que hay en ese mal llamado “espacio vacío”?

    No puedo (por carercer del talento necesario para ello) contestar esa pregunta, sin embargo, parece que no sería un disparate pensar en la existencia allí, de alguna clase de materia que, desde luego, al igual que la bariónica que sí podemos ver, genera energía y ondas gravitacionales que, de alguna manera, que aún se nos oculta, escapa a nuestra percepción y solo podemos constatar sus efectos al medir las velocidades a que se alejan las galaxias unas de otras: velocidad de expansión del Universo que no se corresponde en absoluto, con la masa y la energía que podemos ver.

    Personalmente no me extrañaría que eso que llaman “materia y energía oscura” como consecuencia de una fuerza de gravedad detectada pero sin una masa que lo justifique, estuviera relacionada con fluctuaciones de vacío que rasgando el espacio-tiempo dejan salir los gravitones (el bosón mediador de la gravedad) que transporta esa fuerza “invisible” que tiene también su fuente en una “materia invisible”.

    Estamos en un momento crucial de la Física, las matemáticas y la cosmología, y debemos, para poder continuar avanzando, tomar conceptos nuevos que, a partir de los que ahora manejamos, nos permitan traspasar los muros que nos están cerrando el paso para llegar a las supercuerdas, a la materia oscura o a una teoría cuántica de la gravedad que, también está implícita en la teoría M.

    Estamos anclados, necesitamos nuevas y audaces ideas que puedan romper las cadenas “virtuales” que atan nuestras mentes a ideas del pasado. En su momento, esas ideas eran perfectas y cumplieron su misión. Sin embargo, ahora no nos dejan continuar y debemos crear nuevas ideas para evolucionar hacia nuevos conceptos y ahondar en aquellos que, aún estando ahí presentes, no somos capaces de utilizar, como por ejemplo, el Hiperespacio de tan enorme importancia en el futuro de la Humanidad.

    Cuándo sepamos “ver” dimensiones más altas, todo será mucho más sencillo y encontraremos las respuestas a los problemas que hoy, no sabemos resolver. Y, en todo esto, aunque no parezca que tenga relación alguna, nos podrá dar alguna sorpresa agradable el LHC que, cuando bucee en los océanos de Higgs…Podrá encontrar cualquier cosa inesperada.

    ¡Ya veremos que pasa!

    • Querido Emilio:
      Vamos a ver si nos centramos porque sino nos dispersamos. Vamos, vamos que nos vamos.
      Total que no se donde quieres llegar.
      gracias………………………………………….

  3. Desde siempre (al menos a mí), la idea de que hay materia que no se puede ver, pero no obstante, puede estar afectando a la meteria que sí se puede ver, no es fácil de aceptar y, la explicación debe ser otra que no sabemos “ver”.

    Aquí, cuando nos topamos con la materia oscura, podemos hablar de todo: curvas de rotación galáctica y materia oscura, WIMPs, materia oscura fría y caliente, neutrinos, agujeros negros, y, ahora, también implicamos a la entropía de los agujeros negros pretendiendo explicar esa dichosa materia que nadie, digo nadie, sabe ni lo que es (incluso, si en realidad es), de qué está hecha, dónde puñetas está, y un sin fín de interrogantes más.

    Está claro que, de lo que realmente podemos hablar con propiedad es de esa materia que sí podemos ver o captar por su luminosidad y la radiación y ondas que emite. Esa sí que genera la Gravedad que sabemos comprender a través de la Relatividad General. Si, por el contrario, las galaxias y el gas presente en el universo está siendo transportado por una materia no visible, entonces la curva de rotación del hidrógeno será la misma que la materia no visualizada en el que está embebido por los hilos invisibles de la Gravedad que genera.

    La materia oscura ha dado lugar a comentarios de todo tipo, incluso filosóficos, y, si tenemos en cuenta que, a primera vista podría parecer que la materia oscura es sólo una piececilla más en el enorme rompecabezas del universo, ni más ni menos importante que muchas otras. Sería un punto de vista razonable si dicha “materia oscura” sólo formase una parte pequeña del universo pero, al parecer, no es así, y, la pieza que falta, es la más importante de todas (al menos por su tamaño).

    Tendemos a creer que lo importante es lo que se ve (al parecer sólo el 4% del total), y, lo que no vemos, tiene poca importancia, y, en este caso, si la cosa de la materia oscura resultara finalmente ser cierta, su importancia sería tal que, sin ella, ni las estrellas, galaxias y, hasta nosotros mismos no estaríamos aquí.

    Por otra parte, podría resultar también que no existiera materia oscura alguna y, de lo que estamos hablando es de una 5ª fuerza de la naturaleza que aún no hemos podido determinar, ni de su existencia ni de su verdadera función en el universo, ya que, al parecer se habla no sólo de materia oscura, sino que también hay energía oscura, y, desde luego, por hablar que no quede. Aquí cada cual se despacha a su manera y según su buen parecer, lo único que habría que saber es si algunos de esos pareceres está en el camino correcto.

    Parece como si la materia oscura fuera la opuesta de la visible, sin embargo, ¿por qué es tantas veces superior? ¿qué clase de simetría es esa? El Universo nos dice que si hay un protón, también habrá un antiprotón, un electrón y un positrón, un quarks y un antiquarks pero, sin embargo, en esto de la materia oscura…¡Algo está fallando!

    Tal vez hayáis oído la música del Hombre pero no la música del Universo, y, en el UNiverso hay tantas tonalidasdes que, su sinfonía, nadie ha sabido entenderla hasta el momento presente en que sólo hemos podido comprender, algunas de sus cancioncillas más elementales.

    No creo que la entropía de los agujeros negros tenga nada que ver en todo esto.

  4. otra hipotesis que aparece por la desesperacion de encontrar una respuesta. la bueno de esta es que es falsable. pueden buscar la microlente que provoque esos agujeros.

  5. Los agujeros negros primordiales como candidato a materia oscura son una propuesta muy antigua. Los agujeros negros primordiales fueron introducidos por Carr y Hawking, “Black holes in the early Universe,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 168: 399-416 (1974).

    Desde que se puso “de moda” la materia oscura (primeros resultados de COBE) Carr ha trabajado mucho la propuesta de que sus agujeros negros primordiales fueran un firme candidato a materia oscura fría. Un artículo de revisión ya clásico sobre el tema es Carr y Sakellariadou, “Dynamical Constraints on Dark Matter in Compact Objects,” The Astrophysical Journal 516: 195-220, 1999.

    No hay evidencia a favor (y sí bastante en contra) de agujeros negros primordiales (afectarían a la dinámica del halo galáctico, a los cúmulos de galaxias, etc.). Y los límites sobre las posibles masas de estos agujeros negros son muy estrictos. Aún, así, ahora que está de moda la conexión gravedad-entropía, lo mismo se reactiva esta antigua idea.

  6. Mewshilus

    ¿El único motivo de que se suponga existe la materia oscura es que no cuadra con lo observado en referencia a la integridad de las galaxias?
    Si todos los experimentos encarados a detectar la materia oscura menos uno (el de observar galaxias) han fracasado, ¿no se puede suponer que en vez de materia misteriosa, resulta que tenemos un experimento erróneo?
    Con erróneo quiero decir que se usa la fórmula equivocada o incompleta (como resultó erróneo el universo newtoniano), se parte de hipótesis de masas o tamaños equivocados, o alguna otra causa.
    No se trata de ajustar el universo a nuestras fórmulas, si no de lo contrario. Más que nada porque el universo llegó antes que nosotros.

    • Completamente deacuerdo.Cada vez que sale un articulo sobre materia oscura siempre posteo en el mismo sentido.Estoy por crear algún tipo de organización de personas que estén saturadas igual que yo de oir hablar de materia oscura y de teorias de innumerables dimensiones adicionales.Que como bien dices,en su mayoría,solo sirven para ajustar el universo a la teoría de turno.(Lo que no entiendo es que sea ya una idea generalizada y casi indiscutible para la mayoria de los cientificos,como si se tratara de un hecho totalmente demostrado).

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