Pregúntele a Ethan: ¿tal vez la antimateria perdida está escondida dentro de los agujeros negros?

La idea del artista del sistema planetario Kepler-42. Tenemos todas las razones para creer que todo consiste en materia y no en antimateria, pero los agujeros negros pueden contarnos una historia completamente diferente: no tenemos forma de establecer en qué consisten

Uno de los mayores misterios cósmicos de todo el Universo es por qué hay tanta más materia que antimateria. Las leyes de la física, hasta donde sabemos, le permiten crear y destruir materia y antimateria estrictamente en proporciones iguales. Sin embargo, al observar las estrellas, las galaxias y las estructuras a gran escala del Universo, encontramos que todas consisten en materia, y la cantidad de antimateria es insignificante. Este enigma cósmico hace que muchas personas argumenten que tal vez existió una cantidad igual de antimateria, y luego de alguna manera se separó de la materia. ¿Es esto posible y podría la antimateria esconderse en los agujeros negros? Nuestro lector pregunta:

Existe el misterio de la presencia de materia y la ausencia de una cantidad adecuada de antimateria. Algunos agujeros negros distantes y viejos se formaron mucho más rápido de lo que predicen las teorías actuales. ¿Puede la antimateria faltante esconderse dentro de estos agujeros negros prehistóricos? ¿Es la masa de agujeros negros supermasivos comparable a al menos aproximadamente la cantidad de antimateria faltante?

El pensamiento es emocionante. Vamos a profundizar en esta teoría y resolverlo.


El cúmulo de galaxias MACSJ0717.5 + 3745 debe consistir en materia, al igual que nosotros, o en la línea de visión veríamos evidencia de la aniquilación de la materia con antimateria

En cualquier dirección que observemos el Universo, en todas partes vemos lo mismo: galaxias y estrellas, en todas las direcciones y en todos los lugares del espacio, al menos en promedio. En escalas pequeñas, por supuesto, las galaxias se acumulan juntas, pero si estudias las escalas más grandes, el Universo en todas partes tendrá en promedio las mismas propiedades (por ejemplo, densidad). Si en algún lugar hubiera una galaxia que constara de antimateria, y no de materia, veríamos una gran cantidad de evidencia de la aniquilación de materia / antimateria, y el déficit de materia en el límite entre materia y antimateria. El hecho de que no hayamos encontrado tal evidencia en ninguna parte, ni en galaxias individuales, ni en cúmulos de galaxias, ni en cúmulos de galaxias en colisión, nos dice que 99.999% + el Universo consiste en materia, como nosotros, y no en antimateria.


En los cúmulos, galaxias, sistemas estelares adyacentes a nosotros, en nuestro propio sistema solar, en todas partes hay serias restricciones en la proporción de antimateria. No hay duda: en todas partes del Universo la materia domina.

Y esto es extraño, porque, de acuerdo con la comprensión actual de las leyes de la física, no conocemos los mecanismos que nos permitirían crear más materia que la antimateria. La simetría de la materia y la antimateria, en términos de física de partículas, se postula aún más estrictamente de lo que podrías imaginar. Por ejemplo:

• cada vez que aparece un quark, se crea un antiquark,
• cada vez que se destruye el quark, también se destruye el antiquark,
• cada vez que el lepton aparece o se destruye, el antilepton de la misma familia de leptones se crea o destruye de la misma manera,
• Cada vez que un quark o lepton interactúa, colisiona o decae, el número total de quarks y leptones al final de la reacción (quarks menos antiquarks, leptones menos antileptones) permanece constante.

La única forma de obtener más materia en el universo es también crear más antimateria.


Obtener un par de materia / antimateria (izquierda) de energía pura [fotones] es una reacción completamente reversible (derecha), la materia / antimateria puede aniquilarse, convirtiéndose en energía pura. El proceso de creación y aniquilación, obedeciendo la ecuación E = mc ² es la única forma conocida de crear y destruir materia o antimateria.

La interpretación estándar de estos hechos es que, aunque no está claro cómo, sino en el pasado del Universo, la materia parecía más que la antimateria. En la imagen estándar del gran Big Bang, cuando el Universo era muy joven, se creó una gran cantidad de pares de partículas antipartículas para todas las partículas conocidas (e incluso las que descubriremos más adelante). Esto se debe a que a altas temperaturas y densidades es posible producir espontáneamente nuevos pares de partículas-antipartículas a partir de energía pura, gracias a Einstein E = mc ² . En cantidades iguales, estos vapores se aniquilan, produciendo nuevamente energía pura (fotones). Con el enfriamiento del universo, la energía para hacer nuevos pares termina y la aniquilación comienza a prevalecer.


Con la expansión y el enfriamiento del Universo, las partículas inestables y las antipartículas se descomponen, los pares de materia-antimateria se aniquilan y los fotones ya no pueden chocar con la energía lo suficientemente grande como para crear nuevas partículas.

Si no tuviéramos la asimetría de la materia y la antimateria, tendríamos un universo en el que por cada protón hay 10 ²⁰ fotones y un antiprotón. Habría aproximadamente la misma cantidad de electrones y positrones que protones y antiprotones, y eso es todo. Sin embargo, en cambio, observamos el Universo, en el que para cada protón hay "solo" 1-2 mil millones de fotones. Suponemos que en el Universo temprano hubo un cierto proceso asimétrico que generó esta asimetría. Un ejemplo simple sería la creación de un nuevo conjunto de partículas y antipartículas con diferentes preferencias con respecto a los canales de desintegración, lo que podría conducir a una ligera ventaja de la materia sobre la antimateria.


Una colección simétrica de bosones de materia y antimateria (X, Y, anti-X y anti-Y) podría, con ciertas propiedades de la Gran Teoría de la Unificación , dar lugar a la asimetría de materia-antimateria que observamos hoy en el Universo.

¿Qué hay de nuestra nueva idea? ¿Qué pasaría si, en algún momento temprano, algo causara que la antimateria colapsase en agujeros negros, dejando atrás la materia normal? Después de todo, ¡realmente observamos BHs supermasivos muy tempranos en grandes cantidades! Sin embargo, su origen no es necesariamente un problema o una buena motivación para apoyar una idea tan inusual. Todo lo que se puede explicar sin la participación de la nueva física debe explicarse de tal manera, y en cuanto a los BH supermasivos, creemos que todo se trata de un colapso directo. Para algunos BH, por apariencia, no es necesario que al principio haya una estrella que se queme y se convierta en una supernova; simplemente colapsan, lo que podría dar lugar a "semillas" suficientemente grandes de BH lo suficientemente rápido como para explicar la presencia de quásares jóvenes que observamos hoy.


Los quásares masivos remotos en su núcleo tienen agujeros negros supermasivos. Son muy difíciles de crear sin una gran "semilla", pero un agujero negro de colapso directo puede resolver este enigma con elegancia. También podemos calcular las masas de BH centrales en función de las propiedades de los quásares, y aunque son increíblemente grandes, contienen mucha menos masa que la materia normal en el Universo.

Así que no mires hacia los agujeros negros supermasivos. También existe la idea de los agujeros negros primarios , que resucita periódicamente como candidato para explicar la materia oscura. No pueden ser demasiado ligeros, o se evaporarían muy rápidamente; no pueden ser demasiado pesados, o los notaríamos. La mayoría de las brechas de masa en las que debe encajar la masa de BH primarios, que dicen explicar la masa faltante del Universo, ya se han excluido o se han incluido en un marco muy ajustado. Crear un BH primario requiere una fluctuación de densidad (desviación de la densidad promedio) del 68%, pero en el Universo temprano, las fluctuaciones más grandes no se desviaron de la densidad promedio en más de 0.006%. De hecho, LIGO ya ha rechazado el único intervalo de masa permisible que se ajusta dentro del cual los BH primarios podrían ser responsables de una proporción suficientemente grande de la materia oscura. Sus observaciones de la velocidad de fusión de BH indican que la masa total de estos BH que contienen de 10 a 100 masas solares no supera el 0.000017% de la densidad crítica.


Restricciones sobre la materia oscura, que consta de BH primarios. La única "ventana" disponible en la que la materia oscura puede consistir en agujeros negros se ha cerrado recientemente por restricciones obtenidas de LIGO en el fondo estocástico de agujeros negros de tal brecha de masa.

Además, pudimos estimar la masa total de BH en el Universo, y representa aproximadamente el 0.007% de la energía total . Dado que hay 700 veces más materia normal que BH, la antimateria no puede esconderse en ellas; la antimateria no dio lugar a BH.

Pero tenemos otra forma de averiguarlo: las leyes de la física tienen reglas de simetría que importan y la antimateria debe satisfacer. Una de estas reglas se aplica a las fuerzas que actúan sobre las partículas: no importa qué fuerza actúe sobre una partícula, una fuerza de la misma magnitud (posiblemente con el signo opuesto) debe actuar sobre la antipartícula. Pero esto funciona en ambos sentidos, por lo tanto, no puede haber fuerzas que actúen solo sobre la antimateria. Si quieres que algo actúe sobre la antimateria del Universo, también debe actuar sobre la materia.


El cambio de una partícula a una antipartícula y su reflejo simultáneo en un espejo es invariancia CP. Si el anti-espejo se rompe de manera diferente a lo normal, se viola la invariancia. La simetría del tiempo, o T, se rompe si CP se rompe. La simetría combinada de C, P y T debe preservarse de acuerdo con las leyes actuales de la física, lo que afecta qué interacciones pueden ocurrir y cuáles no.

Por lo tanto, dadas las leyes físicas existentes, estamos seguros de que la antimateria no podría colapsar por completo y convertirse en un agujero negro, dejando atrás la materia normal. Si la cantidad de materia oscura y normal fuera la misma, tal razonamiento tendría sentido, pero los siguientes puntos:

• no necesitamos física exótica para la aparición de BH supermasivos en el Universo temprano;
• Los BH primarios no encajan en la idea de la formación de las estructuras del Universo, y la existencia de un gran número de ellos, en su mayor parte, está excluida;
• La antimateria tiene prohibido experimentar interacciones que conduzcan a su transformación en BH, mientras que BH no sería posible a partir de la materia normal.

suficiente para volver a la imagen estándar. De alguna manera, el Universo produjo más materia que antimateria, en algún momento en un pasado muy lejano, y es por eso que tú y yo pudimos aparecer. La forma en que esto sucedió sigue siendo uno de los mayores misterios sin resolver de la física de hoy.


El Universo temprano estaba lleno de materia y antimateria, que estaban en un mar de radiación. Pero cuando todo esto se aniquiló después de enfriarse, quedó un pequeño problema. Una descripción precisa de este proceso se conoce como el problema de la bariogénesis , y sigue siendo uno de los mayores problemas no resueltos en física.