Huellas en el cosmos: investigadora UC lidera innovador estudio sobre el origen de la materia oscura
Catalina Casanueva, astrónoma e integrante del Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA), busca determinar la incidencia de los agujeros negros primordiales en la formación de materia oscura y si es factible que se formen estrellas.
photo_camera "Los agujeros negros fueron durante décadas solo una predicción teórica, desde los años 60. Recién en 2015 se detectaron directamente por primera vez a través de ondas gravitacionales, y en 2019 se obtuvo la primera imagen. Con los PBHs podría pasar algo similar: incluso podríamos estar observando algunos hoy, sin saber que su origen no es estelar sino primordial", relata la astrónoma.
¿Cómo inciden los agujeros negros primordiales en la formación de materia oscura? La astrónoma UC e investigadora del Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA). Catalina Casanueva, ha dado un nuevo paso en la exploración de uno de los temas más intrigantes de la cosmología actual: los agujeros negros primordiales (PBHs, por sus siglas en inglés). En su segundo estudio sobre estos objetos teóricos, la joven investigadora explora cómo los PBHs podrían haber dejado una huella observable en el cielo que vemos hoy, trabajo que estuvo supervisado por la académica del Instituto de Astrofísica UC y directora de CATA. Patricia Tissera.
En el 2024, la chilena ya había publicado su primer estudio de PBHs, donde Casanueva estudió cómo éstos podrían haber afectado la formación de galaxias al calentar el gas en el universo temprano. "Vimos que si los PBHs fueran muy abundantes, con masas similares o mayores a la del Sol y representando más del 1% de la materia oscura, calentarían tanto el gas que impedirían que se formen galaxias como las que observamos hoy. Eso nos permitió descartar algunos escenarios de PBHs específicos", explica la investigadora.
Nuevos descubrimientos
En su nueva publicación “Primordial black holes as dark matter candidates: Multi-frequency constraints from cosmic radiation backgrounds”, que fue recientemente aceptada por la prestigiosa revista internacional Astronomy & Astrophysics, la astrónoma y su equipo se preguntaron si estos agujeros negros primordiales, aunque sean escasos, podrían haber contribuido a las emisiones de radiación cósmica de fondo que seguimos observando hoy, especialmente en rayos X, radio y el fondo Lyman-Werner. Para esto, utilizaron un modelo físico de emisión más realista que muchas aproximaciones previas, incorporando detalles sobre cómo estos objetos interactúan con su entorno y emiten energía.
Los resultados fueron reveladores: se confirma que los PBHs con masas similares o mayores a la del Sol no pueden representar más del 1% de la materia oscura, en línea con estudios anteriores. Sin embargo, ese pequeño porcentaje podría ser suficiente para explicar parte del exceso de rayos X que aún no tiene una causa clara. Es decir, aunque no compongan toda la materia oscura, sí podrían haber dejado una huella observable en el universo actual.
“Nuestros resultados muestran que los PBHs no pueden ser la mayor parte de la materia oscura si tienen masas del orden de la masa del sol (o mayores). Sin embargo, todavía es posible que PBHs más pequeños, por ejemplo, con masas cercanas a una milmillonésima parte del Sol, puedan formar una fracción significativa o incluso toda la materia oscura. Esos escenarios aún no están descartados”, comenta la investigadora.
Avances relevantes y próximos pasos
Ambas investigaciones refuerzan la idea de que, aunque los PBHs no pueden ser la principal fuente de materia oscura, aún podrían haber jugado un papel importante en la evolución cósmica. Casanueva lo destaca como “un avance importante, porque usamos observaciones reales para poner límites concretos a cuántos PBHs podría haber. "Además, mostramos que incluso una pequeña cantidad podría explicar parte del fondo cósmico de rayos X, que hasta ahora sigue sin una explicación clara. Esto abre nuevas preguntas, como por ejemplo si hay señales similares en otras longitudes de onda, o si los PBHs podrían estar conectados con anomalías recientes que han aparecido en los datos. También nos permite refinar los modelos teóricos, que son clave para interpretar lo que están revelando nuevos instrumentos y misiones”, releva la investigadora postdoctoral adscrita del CATA.
La astrónoma comenta que uno de los próximos pasos será desarrollar la primera simulación hidrodinámica del Universo temprano que incorpore de forma realista los modelos de emisión de PBHs que construyeron. Esto permitirá estudiar no solo su efecto promedio, sino también cómo podrían haber influido localmente en la evolución del gas, la formación de galaxias y el crecimiento de estructuras a distintas escalas: "Estamos entrando en una nueva era de observación del Universo temprano, con telescopios y misiones que están revelando estructuras cada vez más distantes y antiguas. Para poder interpretar correctamente esos datos, necesitamos modelos teóricos detallados que consideren todas las posibles fuentes de energía y retroalimentación, incluyendo los PBHs", finaliza.
