Els forats negres supermassius son fruit de la matèria fosca del Big Bang?

Els forats negres supermassius es van originar a partir de la matèria fosca durant el Big Bang?

Els forats negres estan a tot arreu de l'Univers i alguns creuen que podrien formar part de la matèria fosca. Per contra, de fet, podria haver provocat el col·lapse directe de les seves "sobredensitats" de matèria durant el Big Bang, donant lloc als primers forats negres supermassius.

Clic per engrandir. Les simulacions numèriques de la formació de les grans estructures de l'Univers
permetrien entendre com la matèria fosca podria haver donat lloc als primers forats negres supermassius.
Aquí, una imatge presa d'una d'aquestes simulacions amb superordinadors com a part del projecte de
simulació del mil·lenni, l'objectiu del qual és aprendre més sobre com es formen les galàxies i els cúmuls
de galàxies i s'uneixen per crear, a gran escala, filaments semblants a estructures. La imatge es prou
precisa per entendre molts aspectes de l'univers observable mitjançant la teoria de la gravetat de Newton.
Crèdit: Max Planck Institute for Astrophysics, Springel et al.

 

Una de les motivacions més importants per suposar l'existència de partícules de matèria fosca mai demostrada a la Terra en col·lisions amb acceleradors de partícules o en detectors enterrats sota muntanyes és poder donar a llum ràpidament les galàxies que ja observem formades almenys fa uns quantes centenars de milions d'anys després del Big Bang.

 

En efecte, l'anàlisi de les fluctuacions de temperatura de la radiació fòssil ens permet deduir en primer lloc les fluctuacions de densitat de la matèria normal, que interacciona amb la llum, només aproximadament 380.000 anys després del Big Bang. Si es calcula el temps de col·lapse d'aquestes fluctuacions de la matèria segons les lleis de gravitació conegudes, les galàxies no haurien tingut temps de formar-se encara avui. Però si imaginem les fluctuacions de densitat d'un material que no pot emetre llum (o molt poca) més importants que per al material format per protons, neutrons i electrons, llavors les galàxies poden néixer molt aviat. 

Tanmateix, sabem que al seu cor també hi ha forats negres supermassius molt aviat, que ja contenen almenys un milió de masses solars i en alguns casos almenys mil milions. És difícil explicar l'aparició primerenca d'aquests forats negres gegants, encara que es puguin fer créixer ràpidament per l'acreció de matèria en grans quantitats, en aquest cas amb filaments de matèria fosca i freda.

 

Durant 13.800 milions d'anys, l'Univers ha continuat evolucionant. Contràriament al que ens diuen els nostres ulls quan contemplem el cel, el que el compon està lluny de ser estàtic. Els físics fan observacions a diferents edats de l'Univers i realitzen simulacions en les quals reprodueixen la seva formació i la seva evolució. Sembla que la matèria fosca ha tingut un paper important des del començament de l'Univers fins a la formació de les grans estructures observades avui dia. Crèdit: CEA Research.

 

Els forats negres van néixer abans o després de la radiació fòssil?
 

Entre les explicacions explorades hi ha les dels forats negres primordials que s'haurien format a partir de les fluctuacions de densitat de la matèria abans de l'emissió de radiació fòssil. Per tant, serien fòssils del propi Big Bang i no s'haurien format per l'enfonsament de la matèria un cop acabada.

 

És temptador relacionar aquests forats negres primordials amb la matèria fosca, no només proposant que les partícules de matèria fosca no existeixen realment sinó que són un gas de forats negres primordials, el més massiu dels quals seria per a alguns forats negres d'unes poques desenes de masses solars detectades amb les ones gravitacionals emeses durant la seva fusió i que travessen els "telescopis" Ligo i Virgo, però fent que aquests forats negres es formin sobretot pel col·lapse de les sobredensitats de la matèria fosca.

A l'article publicat el 20 de març del 2022 a Physical Review Letters per Hooman Davoudiasl, Peter Denton i Julia Gehrlein del Brookhaven National Laboratory, una versió del qual està disponible gratuïtament a arXiv, és abans de l'emissió de la radiació còsmica que s'haurien format els forats negres supermassius de la matèria fosca.

 

 

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del video. Pierre Brun és un físic de partícules
a Irfu i treballa a la frontera entre la física de partícules i la cosmologia. S'interessa per una teoria
que postula l'existència d'una partícula anomenada "axió", que resoldria certs problemes relacionats amb
la violació de la simetria en les lleis de la física de la interacció forta. Neutre i lleuger i interactuant molt
feblement amb la matèria, l'axió té totes les característiques per ser una partícula de matèria fosca. Crèdit:
CEA Science. YouTube

 

Una teoria comprovable amb ones gravitatòries

 

Els càlculs dels tres físics teòrics es basen en una classe particular de partícules molt lleugeres del tipus conegudes com axions i que inicialment es van postular per explicar un trencaclosques amb les equacions de QCD (Cromodinàmica quàntica), la teoria que descriu el món dels hadrons compost de quarks lligat per la força nuclear forta i els seus gluons, els cosins del fotó.
 

Encara no sabem si existeixen els axions i en el cas del treball publicat, els axions considerats estan naturalment relacionats amb la teoria de les supercordes i són extremadament lleugers ja que la seva massa seria cent mil milions mil milions de vegades més lleugera que la d'un protó.

 

Les partícules de matèria fosca molt lleugeres es consideren cada cop més perquè ara molts models amb partícules massives del tipus anomenades Wimps, per a Weakly Interacting Massive Particles (Partícula massiva d'interacció feble) es veuen desfavorits.

 

El gas primordial dels axions postulat per Hooman Davoudiasl, Peter Denton i Julia Gehrlein hauria experimentat llavors el que s'anomena transició de fase de primer ordre (com els de l'aigua amb temperatura o el que condueix a l'aparició d'un condensat de Bose-Einstein), el que el va portar a col·lapsar-se donant directament forats negres supermassius de l'ordre de mil milions de masses solars.

 

El fenomen hauria generat un bany d'ones gravitacionals que posseeix avui una banda de freqüències molt precisa però que encara no es pot destacar amb detectors com VIRGO i LIGO. Però aviat estaria a l'abast del mètode de detecció basat en l'estudi de poblacions de púlsars en el marc de la recerca realitzada amb NANOGrav per Nord American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (Observatori Nord-americà de Nanoones Gravitacionals).

 

Ho he vist aquí.