¿Cómo sabemos qué creemos que los agujeros negros no son realmente materia oscura?

sabemos que el Universo comenzó desde un estado caliente, denso, en rápida expansión y más o menos uniforme. Dondequiera que estuvieras ubicado, la gravitación trataría de atraer a las masas cercanas hacia ti, mientras que la presión de radiación de los fotones intentaría separar esas masas. Pero si en escalas pequeñas, tuvieras regiones del espacio que eran solo un 68% (o más) más densas que el promedio, esa presión de radiación no importaría. En cambio, el colapso gravitacional hasta un agujero negro sería inevitable. Si esto sucediera en una escala de masa en particular en el Universo, digamos en masas de 1 kilogramo, o 10 ^ 10 kilogramos de masa, o incluso 30 masas solares, terminaría con una gran cantidad de agujeros negros primordiales de esa masa en particular. Se esparcirían más o menos uniformemente en todo el Universo, formarían halos grandes, difusos pero grumosos alrededor de las galaxias, y serían un excelente candidato para la materia oscura.

Tan pronto como esta idea se sugirió por primera vez, se reconoció que había una serie de restricciones sobre esta posibilidad. Cada vez que una masa pasa entre su línea de visión y un objeto distante, esa masa actúa como una lente gravitacional, gracias a la relatividad de Einstein. El efecto de un objeto oscuro y denso en tránsito, conocido como microlente, se ha buscado con cierta extensión. Si bien se observa algo de microlente debido a estas masas compactas en nuestro halo galáctico, han sido más útiles en cuanto a restringir qué fracción de la materia podría estar en el extremo más grande de estos agujeros negros primordiales. Además, si los agujeros negros son demasiado pequeños en masa, se evaporarán debido a la radiación de Hawking. En total, observaciones de

  • la falta de radiación de Hawking,
  • microlente de explosión de rayos gamma,
  • captura de estrellas de neutrones en cúmulos globulares,
  • microlente tradicional,
  • y los fondos cósmicos de infrarrojos y microondas,

díganos que no podemos tener agujeros negros primordiales que componen la mayoría de la materia oscura en una amplia variedad de rangos de masa.

Sin embargo, Alexander Kashlinsky, duda de estas afirmaciones anteriores sobre las restricciones del fondo infrarrojo cósmico, y en su lugar afirma que existen varias fuentes que podrían ser, de hecho, estos agujeros negros primordiales. En lugar de utilizar el fondo infrarrojo cósmico para restringir los agujeros negros primordiales, Kashlinsky utiliza el supuesto de que constituyen el 100% de la materia oscura para explicar el fondo infrarrojo cósmico:

“Señalamos que si el descubrimiento de LIGO es indicativo de que los PBH componen el DM, las fluctuaciones adicionales […] conducirían a tasas mucho mayores de colapso en los primeros tiempos, lo que naturalmente produciría los niveles observados del [fondo infrarrojo cósmico ] fluctuaciones “.

Desafortunadamente, el problema es que hay otras restricciones en marcha. Las fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas (arriba) nos dicen que no más del 0.1% de la materia oscura total podría estar en agujeros negros primordiales a ~ 30 masas solares, donde el El único argumento es que hay algunas incertidumbres en esta física que no se han cuantificado, y tal vez esas incertidumbres son lo suficientemente grandes como para que este límite pueda ser evadido. Es cierto: si estos agujeros negros primordiales mal motivados pero no 100% descartados existen a ~ 30 masas solares, y si explican el fondo infrarrojo cósmico, y si nuestra comprensión de los procesos radiativos de gas en un agujero negro en movimiento es completamente incorrecto, entonces quizás estos agujeros negros podrían ser la materia oscura después de todo.

Cuando producimos estrellas, lo hacemos en ráfagas, con los estallidos más masivos produciendo docenas de estrellas que van desde 50 hasta más de 250 veces la masa del Sol. Todas estas estrellas terminarán sus vidas en solo unos pocos millones de años en supernovas de colapso del núcleo, con el núcleo más interno dando como resultado un agujero negro. Mientras que las estrellas de menos de 50 masas solares probablemente producen agujeros negros alrededor de 10 masas solares o incluso más pequeñas, las más grandes pueden crear agujeros negros de 20, 30, 50 o incluso potencialmente más de 100 veces la masa de nuestro Sol. Esa es la teoría principal de dónde provienen estos agujeros negros, y dado que el cúmulo estelar más masivo conocido, R136, en realidad contiene una sola concentración R136a con al menos 24 estrellas independientes, incluidos al menos seis miembros con más de 100 masas solares.

Los dos miembros más masivos, R136a1 y R136a2, son ~ 250 y ~ 195 masas solares, respectivamente, y podrían dar lugar fácilmente a agujeros negros en la sierra LIGO de rango de masa, si no incluso mayor. Además, están en un sistema binario entre sí, por lo que una futura inspiración y fusión es completamente razonable. Claro, no se descarta al 100% que los agujeros negros de alrededor de 30 masas solares puedan ser la materia oscura.

Observación sabia estos son dos fenómenos distintos.

  • La materia oscura es necesaria para explicar varias observaciones a gran escala (curvas de rotación de galaxias, dispersión de velocidad de galaxias elípticas y más). Para poder lograr eso, necesitamos que la materia oscura se extienda casi uniformemente en todas partes.
  • El agujero negro, se observa principalmente en el centro de las galaxias como atracción gravitacional adicional. Para explicar estas observaciones, necesitamos agregar mucha masa en un volumen (relativamente) pequeño, y solo en ese volumen.

Será muy difícil generar estrellas oscuras (es decir, comienza a partir de materia oscura), esto proviene de la fuerza de las interacciones de materia oscura y la conservación del momento angular.

Cuando medimos los candidatos de agujeros negros, vemos que una gran masa se concentra en un volumen pequeño y, según la relatividad general, debe crear un agujero negro (no puede ser solo una gran estrella oscura)

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