NeoFronteras

Agujero negros primordiales y pre-primordiales

Área: Espacio — Martes, 10 de Mayo de 2011

Proponen la existencia de agujeros negros previos al Big Bang y la formación de átomos gravitatorios formados por agujeros negros primordiales.

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Además de los agujeros negros supermasivos de los centros galácticos y de los creados en los colapsos de estrellas masivas, se propusieron en su día agujeros negros mucho más ligeros: los agujeros negros primordiales.
Según los teóricos, estos agujeros negros se tuvieron que formar en grandes cantidades durante el Big Bang. Las densidades de materia que había durante el Big Bang podían haber permitido la formación de estos agujeros negros, al fin y al cabo, para formar uno sólo hace falta concentrar materia suficiente en una pequeña región del espacio. Según el Universo se expandía estos agujeros negros primordiales debían de haberse dispersado por el Cosmos.
Aclaremos ante todo que los agujeros negros (del tipo que sean) no son gigantescas aspiradoras cósmicas que se tragan todo lo que pase a su lado. Si el Sol se transformara súbitamente en un agujero negro, los planetas (congelados por la falta de luz) seguirían, como si nada, describiendo sus mismas orbitas como siempre lo han venido haciendo. No serían tragados por el monstruo negro.
Por definición, los agujeros negros no se ven, pero se pueden observar los efectos que tienen sobre la materia que les rodea. Esto es cierto sobre todo en los dos primeros tipos de agujeros antes citados, pero en el caso de los agujeros negros primordiales se supone esto sería un poco más difícil. Sin embargo, los agujeros negros primordiales se supone que deben ser tan ligeros (del orden de toneladas) que deben evaporarse rápidamente y explotar, haciéndose visible su desaparición.
En el trabajo que hizo a Hawking famoso se propuso un mecanismo que permitía la evaporación de todo agujero negro. Se puede utilizar una analogía para explicar el efecto. Cerca del horizontes de sucesos se puede formar un par virtual partícula-antipartícula (gracias al principio de incertidumbre esto ocurre constantemente) y una de ellas puede cruzar dicho horizonte y caer al agujero negro portando masa negativa. La que queda toma consistencia real y escapa con masa positiva.
El mecanismo de evaporación es tanto más efectivo cuanto menos masivo es el agujero negro, así que el fin de todo agujero negro se experimenta como una explosión que nosotros veríamos como un destello de rayos gamma. Los agujeros negros estelares o supermasivos tendrán vidas tan largas que nunca veremos su evaporación. Pero los agujeros negros primordiales deben de estar explotando ya y nosotros deberíamos de ver esas explosiones, pero parecer que no vemos ninguna. Se espera que el telescopio Fermi consiga confirmar uno de estos eventos algún día.
Ahora, Pace VanDevender y Aaron VanDevender proponen que quizás estos agujeros negros interaccionan con las partículas de su alrededor y forman “átomos” gravitacionales.
Recordemos primero en qué consiste un átomo de hidrógeno. Básicamente hay un núcleo formado por un protón y un electrón que orbita a su alrededor. El electrón está atrapado dentro del pozo de potencial creado por el campo electromagnético al tener protón y electrón cargas opuestas. Cuando, en su día, se propuso este modelo por primera vez ningún físico de la época se lo creía. La razón era que según la Física Clásica era posible toda órbita y nivel de energía del electrón y éste tenía que radiar su energía en forma de ondas electromagnética hasta caer sobre el protón. La Mecánica Cuántica solucionó el problema al proponer que sólo ciertos estados y niveles de energía eran posibles. El primer esbozo de solución fue proporcionado por el danés Niels Bohr.
Uno puede llegar a imaginar otro tipo de potencial para ligar ese electrón. Otros potenciales, pero no el producido por el campo gravitatorio, porque en ese caso la fuerza gravitatoria es tan débil que no parece tener sentido.
Este problema de la jerarquía, es decir, la extremadísima debilidad de la fuerza gravitatoria frente a las demás fuerzas, es un asunto que todavía no se ha explicado, pero es así.
No obstante, estos investigadores han sustituido el núcleo atómico por algo bastante poderoso desde el punto de vista gravitatorio: un agujero negro primordial. Uno de estos objetos tiene un campo gravitatorio lo suficientemente intenso como para poder crear estados ligados. En otras palabras, podría atrapar partículas y átomos que girarían a su alrededor sin ser engullidos. Las partículas no caerían al agujero debido a un efecto cuántico muy similar al de los átomos normales, es decir, no se comportarían clásicamente.
Para agujeros negros muy pequeños esto sería muy difícil que se diera porque la probabilidad de encontrarse con un átomo y atraparlo sería reducida. Además, la energía térmica de estas partículas a atrapar sería superior a la energía que les ligaría al campo gravitatorio creado por el agujero. Este sería el caso de los supuestos agujeros negros que se tenían que crear en el LHC y que de momento nadie ha visto.
Pero los agujeros negros primordiales de entre 10 y 1000 toneladas estarían rodeados por capas de átomos neutros atrapados, como por ejemplo de hierro y silicio. Según estos autores, si uno de esos agujeros negros cruza la Tierra debe de emitir radiofrecuencias generadas por los átomos de esas capas perdidos durante el evento.
Aunque no se detecte nada al respecto, un estudio sobre esta posibilidad debe arrojar límites o cotas a la presencia de estos agujeros negros primordiales, así que sería igualmente útil.

Pero si estos agujeros negros primordiales ya parecen raros, lo son aún más los pre-primordiales, objetos cuya existencia se ha propuesto reciente. Aunque tradicionalmente se ha puesto al Big Bang como el origen de todo, incluso del espacio y del tiempo, últimamente hay estudios teóricos que proponen la existencia de un universo previo al nuestro, quizás uno que se contraía.
Esta idea de un universo previo es de difícil o imposible comprobación experimental por definición, así que no es falsable, pero se puede pensar en las posibilidades que abre.
Puede que el universo sea cíclico y que experimente expansiones y contracciones, aunque nadie haya aclarado bien cómo un universo en expansión acelerada, debido a la energía oscura, puede llegar a detener su expansión y contraerse. Dejando de lado la teoría de la quintaesencia (de horrible nombre, por cierto, what were they thinking?) esto no ha sido solucionado aún sobre el papel, y ni mucho menos con algún tipo de corroboración experimental.
Pero la existencia de un pre-universo da mucho juego. Ahora, Bernard Carr y Alan Coley proponen que si el pre-universo experimentó un colapso quizás algún agujero negro haya evitado la singularidad (en realidad, muchos de los esfuerzos realizados en Relatividad General y en Gravedad Cuántica están encaminados a evitar la formación de singularidades) que se debe forma durante el colapso final.
Según los cálculos efectuados por estos teóricos, los agujeros negros pre-primordiales supervivientes pueden tener masas desde cientos de miles de toneladas a tener una masa como la del Sol. Lo malo es que esta gama de masas los haría indistinguibles de los agujeros negros primordiales y de los estelares que se formaron y se forman en nuestro universo.
Como ya sabemos, los agujeros negros “no tienen pelos” y dos agujeros negros con la misma masa, carga y momento angular son indistinguibles. Digamos que el agujero negro borra la historia de su formación, olvida su origen. Así que parece difícil que se encuentre un rasgo que distinga a los agujeros negros pre-primordiales de los demás.
O puede que esto sea una prueba más de que los físicos teóricos también practican el onanismo, intelectualmente hablando, claro.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3489

Fuentes y referencias:
Artículo en ArXiv I.
Artículo en ArXiv II.
Foto: imagen de una simulación del espacio-tiempo alrededor de una agujero negro. Fuente: Caltech.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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12 Comentarios

  1. joabbl:

    Me temo que no entiendo lo de los pares partícula/antipartícula con masa positiva y negativa. ¿Un positrón tiene masa negativa?. Por lo demás la idea de los universos múltiples o cíclicos en cualquiera de sus formas tan imaginativas siempre me ha gustado. Pero me temo que es casi una religión. Algunos científicos podrían crear una Cofradía del Santo Universo Cíclico o el Tabernáculo de las Santas Supercuerdas Heteróticas. Además nunca faltarán herejes a los que perseguir, con lo cual la diversión estaría asegurada… En vez de la hoguera yo sugeriría bombardearlos con energía super-molocotrónica, para que aprendan.

    Saludos

  2. joabbl:

    La idea de los universos múltiples o cíclicos en cualquiera de sus formas tan imaginativas siempre me ha gustado. Pero me temo que es casi una religión. Algunos científicos podrían crear una Cofradía del Santo Universo Cíclico o el Tabernáculo de las Santas Supercuerdas Heteróticas. Además nunca faltarán herejes a los que perseguir, con lo cual la diversión estaría asegurada… En vez de la hoguera yo sugeriría bombardearlos con energía super-molocotrónica, para que aprendan.

    PD:Me temo que no entiendo lo de los pares partícula/antipartícula con masa positiva y negativa. ¿Un positrón tiene masa negativa?.

    Saludos

  3. joabbl:

    Creo que no entiendo lo de los pares partícula/antipartícula con masa positiva y negativa. ¿Un positrón tiene masa negativa?.

    Saludos

  4. NeoFronteras:

    Estimado joabbl:
    La partícula que cae, sea antipartícula o partícula, porta masa negativa y la que se queda fuera adquiere masa positiva (sea antipartícula o partícula). Aunque es una analogía.

  5. tomás:

    En mi particular opinión, sólo guiada por la intuición, o quizá por ese onanismo que se cita y del que puedo participar con los científicos, tengo muchas dudas sobre el Big Bang como un punto matemático-geométrico, singularidad absoluta donde se concentró toda la masa y energía del Universo. Para mí no es suficiente razón el alejamiento de los cúmulos o expansión del espacio -¿se ha medido alguna expansión del tiempo?-. Quizá un inmenso agujero negro primordial haría innecesaria esa imprescindible expansión superacelerada al poco del inicio de la Gran Explosión. Entonces, si se concibe cómo puede explotar un agujero negro tan descomunal, es decir, si resulta científicamente posible, pudiera ser que “partes” de ese primer agujero negro hubiesen resultado despedidas sin haber perdido su condición primera. Si así fuera, eso podría explicar – no sé hasta que punto- la materia y energía oscuras.
    Es un soñar.
    Saludos.

  6. lluís:

    ¿Medir la expansión del tiempo?..no acabo de ver claro a que te refieres tomas.Si ni siquiera sabemos que es el tiempo,¿cómo podriamos medirlo?.En las ecuaciones de la física,no aparece el tiempo,lo que aparece son evoluciones temporales.Al menos yo no sé que es lo que miden los relojes,pero no creo que sea el tiempo.
    Como sea,¿qué sería el mundo sin los teóricos?.Un aburrimiento.Su mente siempre fértil,ha abierto muchos caminos.Sin ir más lejos,Einstein era un teórico,y sus teoriás puestas a prueba centenares de veces siguen triunfando.Así que por mi, pueden seguir invocando al dios Onán todo cuanto les apetezca.Luego ya se verá o no, si la naturaleza hace lo que piensan que puede hacer.
    Saludos.

  7. tomás:

    Es que siempre se habla de la expansión del espacio-tiempo. Por eso lo digo. Y no veo la razón.
    Un abrazo.

  8. nsx:

    Hola soy habitual de ésta gran página. Estaba leyendo la noticia y me acordé de que, en un documental decían que el universo era plano, algo que ya había escuchado con anterioridad. Pero no sé que experimento se hizo para determinar dicho resultado ni como lo obtubieron. ¿Alguien podría explicármelo o darme alguna dirección donde acudir para informarme?
    La verdad es que no sabía donde poner la pregunta sin causar problemas pués entiendo que este apartado de la página está para comentar la noticia. De modo que aprovecho para dejar como sugerencia la posibilidad de hacer un foro donde se puedan hacer preguntas o argumentar sobre temas relacionados a la página. Creo que sería muy constructivo e interesante ya que, no solo nos informaríamos sobre las ultimas noticias de la comunidad científica sino que se daría la oportunidad de discutir sobre estas, pudiendo así disfrutar de la intelectualidad de otras personas con las mismas afinidades y preocupaciones.
    Es una humilde sugerencia, en caso de que no se pudiese llevar a cabo, no hay problema, personalmente seguiré visitando este portal.

    Gracias por la atención. Un cordial y sincero saludo

  9. tomás:

    Estimado nsx: He esperado unos días a ver si alguien con más saber que yo, respondía a tu petición, pero como no ha sido así, haré lo que pueda.
    Primero decirte que estoy exactamente en tu línea de pensamiento, en el sentido de que sería estupendo un foro de discusión, aunque esto puede decirse que ya existe en los comentarios que, además suelen estar moderados por Neo. Me inclinaría por un foro de vulgarización más elemental -aunque este está a un nivel muy asequible- pero es que soy partidario de que la ciencia llegue al nivel más elemental posible; es la única forma de vencer la magia, la astrología, la publicidad, la religión, etc. Mas nadie puede abarcarlo todo. Aquí si se quiere y puede, se responde, y si no, no.
    Yendo al grano de tu pregunta sobre la forma del Universo, es mi opinión que no lo sabemos con certeza -como todo-. Puesto que te refieres a “plano”, hablaremos de ello con la poca autoridad que me permiten mis conocimientos. Creo que es una manera de decir que hay que entender como geométrica, aunque pueda corresponderse con una realidad física. Vamos a llamarle C a su curvatura. Podríamos decir que su forma, que llamaremos F, depende de C o que es función de C. Matemáticamente sería F = f(C). Por lo mismo sería C = &(F); las trataremos indistintamente, sin profundizar, que no estoy para trotes.
    Esta forma F está íntimamente relacionada con algunas propiedades geométricas sencillas. Ya lo sospechó el admirable Gauss cuando quiso saber si la geometría que utilizábamos era buena -euclidiana- y se lanzó a averiguar si se cumplía que la suma de los ángulos del triángulo formado por los picos de tres montañas era 180º. Pues hagamos lo mismo pero con los más alejados cúmulos galácticos. Si se cumple que los ángulos suman exactamente 180º, estamos en un Universo euclidiano, es decir, plano, pero que, a mi entender, no sabemos si tiene o no límites. Para él, resulta que F=1 y se corresponde con una C=0, es decir, que no hay curvatura. Si resulta que la suma es >180º, lo cual sucede en al superficie de la Tierra, ello se corresponde con una F>1 y por tanto, una curvatura positiva. Podríamos estar ante un Universo esférico, aunque no alcanzo a saber si ya estaría cerrado o tendería a estarlo sin haberlo logrado aún o sin conseguirlo nunca. Si F>1, nos encontramos con una forma conocida como “silla de montar”, donde la suma de los ángulos de los triángulos es <180º y tenemos una curvatura negativa, imposible de cerrar.
    Es decir, sólo puede ser cerrada -si lo es- con F C>0.
    Pero tengo noticia de que se ha realizado alguna experiencia asistida por ordenador con lo más lejano que conocemos, que es el fondo cósmico de microondas. Aprovechó las anisotropías del mismo para medir la distancia entre dos puntos más calientes que el resto. Piensa que las ondas electromagnéticas que nos llegan de ese fondo tiene casi tanta edad como el propio Universo. Sólo unos 300.000 años menos de los 13.700 millones de años desde el comienzo. Si lo que detectaban -una temperatura de 2′73 ºK por encima del cero absoluto, que casualmente tiene una relación nemotéctica con los -273 ºC que le corresponden a este- les parecía más grande que la distancia real entre esos puntos, es que el Universo tiene curvatura positiva. Esto es parecido a lo que ocurre cuando quieres leer con una lupa o lente biconvexa, que ves las cosas mayores de lo que son; pues sería como si existieran en el espacio infinitas lentes muy delgadas y de poquísima curvatura. Si lo “vieron” tal como es, no hay curvatura; asimílalo a un vidrio plano interpuesto -el de la ventana por ejemplo-, que te muestra las cosas del tamaño que son. Si lo “vieron” menor, es que la curvatura es negativa, es decir como si utilizaras una lente bicóncava, que te hace ver las cosas de menor tamaño de lo que son. La conclusión que sacaron, -siempre provisional- es que el Universo es plano o casi.
    Todo esto tiene una correspondencia con un diagrama Espacio en ordenadas y Tiempo en abscisas. A una C=0 => F=1, le corresponde una recta, pongamos a 30º -por poner algo, pues no tengo la menor idéa de como calcularlo- que partiría del origen: Es un Universo plano. A una curvatura C>0 => F<1 se le otorga forma parecida a una semicircunferencia que descansaría sus bordes sobre el eje horizontal. El origen sería la Gran Explosión y el final, una Gran Implosión, al cual podrían suceder otros episodios iguales por toda la eternidad -yo, esto no me lo trago por sus contradicciones, pero cualquiera sabe y de esto dice algo el artículo-. Esta forma también podría dar lugar a una línea que se curvase hacia la horizontal con asíntota horizontal o quizá algo inclinada. Por último, un C F>1 le toca una curva que deriva hacia arriba con su mayor curvatura en el origen que iría disminuyendo hasta llegar a su asíntota vertical o casi. Luego hay combinaciones de estos modelos. Todas estas líneas que te he descrito es natural que tengan dos puntos en común: el presente y el origen. En el presente no les queda más remedio, pero en el origen hay opiniones.
    Pero es que todo esto está relacionado con la densidad del Universo, que es asombrosamente baja y trae de cabeza a los cosmólogos con el tema de la materia oscura y la energía oscura.
    Y de ahí que está relacionado con el “parámetro” -que antes se creía constante, pero parece que no- de Hubble. Ya sabes, la relación que existe entre la velocidad de alejamiento de los cúmulos y su distancia: a mayor alejamiento, mayor velocidad -también recuerdo un artículo aquí sobre esto, pero no sé el nombre-. Si resulta que ese parámetro, además crece -de ahí que le llame parámetro, que viene a ser como una “constante-variable”- entonces se da esa curva que te he dicho con asíntota vertical.
    Para terminar, hay cosmólogos que adjudican formas como la cinta de Moebius, o campana, o rosquilla -geométricamente, toro-, pero para hablar de ello tendríamos que meternos en topología, rama donde ando descalzo y sobre ascuas, así que mejor lo dejo. También recuerdo algo como cilindro, pero es cosa vaga en mi mente. Tiene la ventaja de que puedes dibujar un triángulo en un plano y luego enrollarlo haciendo un cilindro, por lo que no cambia la suma de los ángulos. En un toro, por la parte interna sería curvatura negativa y por la externa, positiva, Si el triángulo ocupase una y otra, no me atrevo a pronunciarme, aunque imagino que puede suceder cualquier cosa dependiendo de donde sitúes los vértices.
    Te pido perdón por mi inseguridad, por la extensión, capaz de aburrir a una vaca y por si hubiera algún error.
    Pero ¿no querías foro? Pues toma foro. De todas formas si alguien corrige o confirma mi comentario le estaré muy agradecido.
    Sobre la estructura del Universo, que es otra cosa, recuerdo que hay un artículo aquí que lo compara con la espuma de la cerveza, pero no sé su título. Aunque, de todas formas yo lo imagino más como una esponja donde las “celdas” están comunicadas que como las estancas burbujas. También resulta comparable a una tarta de pasas -estas son las galaxias o mejor, sus cúmulos- cuando se está horneando y aumentando su volumen que es cuando esos cúmulos se separan al crecer el espacio.
    Me gustaría saber si has leído esto o he especulado inutilmente. También agradeceré a cualquiera toda corrección o confirmación.
    Un saludo cordial, deseándote lo mejor en tu afición por saber.

  10. tomás:

    Estimado nsx:
    A mis excusas he de sumar erratas que no me explico cómo han aparecido, pero no habrá sido por magia sino por mi culpa. Sea por las prisas. Voy a corregirlas:
    Donde dice: “Si F>1, nos encontramos con una forma conocida como “silla de montar”…” debe decir “F C0 => F0 => F>1″.
    En “…-si lo es- con FC>0″ debe decir “F>1 => C>0, o viceversa”.
    Y en: “Por último, un CF>1 le toca una curva…”, es “C>0 => F>1 -o viceversa-…”.
    Otra vez mil perdones y espero haber llegado a tiempo para no confundirte; ¡qué catástrofe!

    Quiero irme a llorar
    a mi rincón
    a mi oscuro silencio
    a mi vacío
    mi pobre honor perdido.

    Bueno, ya me he consolado. Creo que ni muerto me callaré.

  11. tomás:

    Estimados Neo y nsx:
    Veo que no toda la culpa es mía. ¡Qué consuelo! Algo pasa cuando le doy a “Enviar” que cambia lo escrito, quizá por no ser común en el sistema que debe hacer correcciones sistemáticas.
    Primera corrección -a ver si ahora, en palabras, sale bien-.
    Donde dice: “Si ….”silla de montar”… ” debe decir “F menor que uno, implica un C menor que cero”.
    Lo puse correctamente; lo juro por el tiempo.
    Lo demás está bien.
    Un saludo.

  12. tomás:

    Bueno, estimado nsx, creo que he perdido el tiempo, pues sospecho que no has leído mi respuesta a tu pregunta. No me quejo de eso, sino de que te manifiestes antes como asiduo y no lo seas; o así me lo parece. Son cosas que pasan y que deben aceptarse.
    Un saludo.

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