Tal vez los agujeros negros primordiales estuvieron ahí desde el comienzo del Universo
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Un equipo del Observatorio Astronómico de Córdoba (UNC) y CONICET develÓ que los agujeros negros primordiales podrían ser la clave para resolver algunas de las incógnitas más desconcertantes del universo en expansión, como la presencia temprana de algunas galaxias masivas.
En un artículo con la firma de Victoria Rubinstein, del Observatorio Astronómico de Córdoba, se indicó que el Universo, desde su origen en el Big Bang, se nos ha presentado como un enorme escenario de eventos cósmicos que continúan desafiando la comprensión humana, aún cuando creemos que hemos alcanzado el pináculo del entendimiento y de las posibilidades tecnológicas a nuestro alcance.
Entre las muchas manifestaciones universales, los agujeros negros -regiones del espacio donde la gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar-, aún desafían nuestra frenética búsqueda de conocimiento.
Si bien los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias son relativamente conocidos, una nueva investigación, en la que participaron investigadores de la Universidad de Córdoba, en Argentina, sugiere que un tipo más antiguo y esquivo de agujero negro, conocido como agujero negro primordial (PBH, por sus siglas en inglés), podría ser la clave para resolver algunas de las incógnitas más desconcertantes de la universo en expansión_.
En el artículo Structure formation with primordial black holes to alleviate early star formation tension revealed by JWST, un equipo del Observatorio Astronómico de Córdoba y de CONICET exploró cómo los PBH podrían ayudar a explicar la presencia de galaxias más masivas de lo esperado en altos desplazamientos al rojo (cuando el Universo era aún muy joven).
Tales descubrimientos fueron posibles gracias al Telescopio Espacial James Webb, una herramienta revolucionaria en la astronomía moderna, que ha permitido observar, en longitudes de onda diferentes a sus predecesores, el Universo en sus etapas más tempranas con una precisión sin precedentes.
Universo en expansión #
La cosmología moderna se basa en la teoría del Universo en expansión, donde las galaxias se alejan unas de otras mientras el Cosmos se expande desde el Big Bang. Según el modelo cosmológico estándar, conocido como ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter), la formación de estructuras en el Universo, como galaxias y cúmulos de galaxias, es impulsada por la materia oscura fría y la energía oscura.
Sin embargo, las observaciones recientes del Telescopio Webb revelan la existencia de galaxias más masivas y compactas de lo esperado en etapas tan tempranas del Universo que desafían las predicciones de este modelo.
Impulsado por estas discrepancias, el equipo de investigación propuso una modificación en el espectro de potencia de la materia oscura fría, incorporando los efectos de los PBH.
Estos agujeros negros primordiales, que podrían haberse formado muy temprano en el Universo debido modelos alternativos de inflación, podrían representar una pequeña fracción de la materia oscura total, pero con un impacto significativo en la formación galáctica.
Simulación de la formación de una galaxia. En colaboración con TNG project. Crédito del vídeo: Structure formation with primordial black holes to alleviate early star formation tension revealed by JWST, Patricio Colazo et al.
Utilizando el código de simulación SWIFT que permite modelar distintos universos, los investigadores simularon dos escenarios. En el primero, se consideró el modelo ΛCDM tradicional, basado en los parámetros cosmológicos del Planck 2018.
En el segundo, se incluyó la influencia de los PBH, asumiendo que constituyen un 0.5% de la materia oscura y poseen distintas masas que van del orden de masas planetarias, hasta objetos muy masivos del orden de 108 masas solares.
Los resultados de estas simulaciones mostraron que la inclusión de PBH permite reproducir la abundancia observada de galaxias masivas a altos desplazamientos al rojo, algo que el modelo estándar no logra sin valores de eficiencia de formación estelar poco realistas.
El aporte del James Webb #
Patricio Colazo1, autor principal de esta investigación ilustra este modelo con una analogía sencilla pero potente: «Imaginemos al Universo como un niño al que hemos observado crecer desde los 10, 11, 12 años hasta su edad actual, gracias a los instrumentos de los que disponíamos. Con esta información, podemos teorizar cómo era a los 8 ó 9 años. Sin embargo, con la llegada de este nuevo telescopio, pudimos ver que, a los 8 y 9, el Universo había evolucionado más de lo que anticipábamos. Nuestra investigación se asemeja a introducir una ‘vitamina de crecimiento’ en forma de pequeños agujeros negros primordiales (PBH) en las primeras etapas, como en su primer año de vida. De esta manera, logramos que el Universo simulado a los 8 y 9 años tuviera un crecimiento similar al que observamos, sin alterar los años venideros. Es como si el Universo hubiera dado un estirón de repente”.
«Este trabajo, además, sugiere que los PBH podrían no sólo explicar la presencia de estas galaxias, sino también actuar como semillas para los agujeros negros supermasivos que observamos en el universo, logrando solucionar al mismo tiempo dos problemáticas del modelo actual», añadió Colazo.
El Telescopio James Webb ha sido crucial para estas observaciones, pues brindó imágenes de una nitidez y profundidad sin precedentes, que permitieron a los científicos retroceder en el tiempo hasta los primeros cientos de millones de años después del Big Bang.
Merced a este instrumento, la comunidad científica está comenzando a reevaluar algunas de las suposiciones más fundamentales sobre la formación y evolución de las estructuras en el Universo.
El estudio al que se alude aquí, es un ejemplo de cómo la investigación en cosmología está evolucionando rápidamente, impulsada por nuevas observaciones y tecnologías, y cómo las teorías que alguna vez se consideraron marginales, como la existencia de PBH, pueden ofrecer soluciones a problemas persistentes en la comprensión del Cosmos.
Así, no sólo contribuye a nuestra comprensión del universo temprano, sino que también abre nuevas vías de investigación para explorar el papel de los PBH en la evolución del Cosmos.
Importante #
El paper Structure formation with primordial black holes to alleviate early star formation tension revealed by JWST fue publicado en Astronmy & Astrophysics. Sus autores son: P.E. Colazo, F. Stasyszyn2 and N. Padilla3
An English Abstract #
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A team from the Observatorio Astronómico de Córdoba and CONICET suggests that primordial black holes (PBHs) could be a key to solving some of the most puzzling questions about the expanding Universe, such as the early presence of massive galaxies.
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The research focuses on how PBHs could help explain the existence of more massive galaxies than expected in the early Universe, a phenomenon who James Webb Space Telescope helped to observe.
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The team proposes a modification in the cold dark matter spectrum, incorporating the effects of PBHs, which could represent a small fraction of total dark matter but have a significant impact on galaxy formation. Simulations show that the inclusion of PBHs allows for the reproduction of the observed abundance of massive galaxies at high redshifts, something the standard model fails to do without unrealistic star formation efficiency values.
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The research suggests that PBHs could not only explain the presence of these galaxies but also act as seeds for the supermassive black holes observed in the Universe.
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The study is an example of how Cosmology research is rapidly evolving, with new observations and technologies leading to the reevaluation of fundamental assumptions about the Universe’s formation and evolution.
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¡Gracias!
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Patricio E. Colazo: Facultad de Matemática, Astronomía, Física y Computación, UNC, Córdoba, Argentina. Instituto de Astronomía Teórica y Experimental, CONICET-UNC, Córdoba, Argentina. ↩︎
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F. Stasyszyn: Instituto de Astronomía Teórica y Experimental, CONICET-UNC, Córdoba, Argentina. Observatorio Astronómico de Córdoba, UNC, Córdoba, Argentina. ↩︎
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N. Padilla: Instituto de Astronomía Teórica y Experimental, CONICET-UNC, Córdoba, Argentina. Observatorio Astronómico de Córdoba, UNC, Córdoba, Argentina ↩︎