Astronomía

¿Existe una conexión entre los agujeros negros y la materia / energía oscura?

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¿Existe una relación espacial o gravitacional entre los agujeros negros y la materia / energía oscura?


No en realidad no.

Como insinúa Stan Liou en su comentario, los objetos masivos como los agujeros negros (BH) eran previamente candidatos a la materia oscura (DM). Pero se puede demostrar que para explicar los diversos problemas que debe resolver la existencia de DM, tendrían que ser tantos, que su efecto gravitacional ("microlente") sobre las fuentes de fondo sería mucho mayor de lo que se observa. . Hoy en día, la mayoría de la gente piensa que la DM es simplemente una partícula con una sección transversal de interacción extremadamente pequeña, de modo que prácticamente no interactúa con otras partículas, excepto a través de la atracción gravitacional.

También preguntas si hay alguna espacial relación, y de alguna manera se podría decir que la hay. La mayoría, si no todas, las galaxias tienen un BH supermasivo, y estos tienden a estar en el centro de los pozos de potencial gravitacional creados por la DM de las galaxias. Sin embargo, los BH "normales" simplemente flotan como estrellas.

Los BH también tienden a crecer por acumulación de materia sobre ellos y, por supuesto, también pueden comer DM, por lo que, hasta cierto punto, los BH también consisten en DM. Pero dado que el DM no interactúa, una partícula de DM debería volar directamente hacia el BH, no sea que simplemente se desvíe y escape. La materia normal, por otro lado, se ralentiza por la fricción y gira en espiral hacia el BH. Por lo tanto, los BH consisten principalmente en materia normal. Sin embargo, en realidad no importa, ya que después de que algo ha caído en un BH, se olvidará todo menos su masa, carga y momento angular.

Oscuro energía es algo completamente diferente, mejor descrito como una presión negativa que es una propiedad del propio espacio. Creo. O pensamos. Nadie lo sabe realmente. Pero su presencia no se correlaciona con la de BH o DM. Hace diez años, existía la hipótesis de que una estrella que colapsa debería convertirse en energía oscura en lugar de BH, provocando la llamada estrella de energía oscura, pero no creo que nadie crea esto ya.


No, no se conoce una conexión particular entre los agujeros negros, la materia oscura y la energía oscura.


Se encuentra un vínculo sorprendente entre la materia oscura y los agujeros negros

La materia oscura y los agujeros negros son algunas de las cosas más misteriosas del Universo, por lo que la conexión entre los dos es absolutamente emocionante. En un nuevo estudio, los astrónomos informan de un extraño vínculo entre la cantidad de materia oscura en una galaxia y el tamaño de su agujero negro supermasivo. ¡Eso es un nuevo hecho asombroso sobre el agujero negro!

Interpretación artística de un agujero negro supermasivo. Imagen a través de Red Orbit

La mayoría de las galaxias tienen un agujero negro en sus centros & # 8211 millones o incluso miles de millones de veces más pesado que nuestro Sol. El origen de los agujeros negros supermasivos sigue siendo una cuestión abierta, con varias hipótesis en competencia. Cuanto más grande es la galaxia, más grande y pesado es el agujero negro & # 8230, pero ¿por qué sucede esto? ¿Por qué los dos están conectados? Un nuevo estudio de colecciones de estrellas en forma de balón de fútbol llamadas galaxias elípticas sugiere que la clave aquí puede ser la materia oscura y la misteriosa cosa que constituye la mayor parte de la masa del Universo. Entonces, una nueva asombrosa

& # 8220 Parece haber un vínculo misterioso entre la cantidad de materia oscura que contiene una galaxia y el tamaño de su agujero negro central, a pesar de que los dos operan en escalas muy diferentes & # 8221, dice el autor principal Akos Bogdan del Harvard-Smithsonian Centro de Astrofísica (CfA).

La materia oscura es realmente extraña y no sabemos qué es y no podemos verla. La existencia y las propiedades de la materia oscura se infieren de sus efectos gravitacionales sobre la materia visible, la radiación y la estructura a gran escala del Universo. En otras palabras, no podemos & # 8217t verlo, pero podemos ver sus efectos & # 8230 y prácticamente no tenemos idea de qué es. Es uno de los mayores misterios de la astrofísica, especialmente si se considera que la materia oscura supera a la materia normal 6 veces.

Para investigar el sorprendente vínculo entre la materia oscura y los agujeros negros, Bogdan y su equipo estudiaron más de 3.000 galaxias elípticas. Utilizaron los movimientos de las estrellas como trazador para pesar las galaxias y los agujeros negros centrales # 8217 y realizaron mediciones de rayos X para pesar el halo de materia oscura. Cuanta más materia oscura tiene una galaxia, más gas caliente puede retener y mayor halo tiene. Descubrieron que cuanto más materia oscura tiene una galaxia, más grande tiende a ser su agujero negro, incluso más que la conexión lógica entre un agujero negro y las estrellas de la galaxia.

No está claro exactamente por qué sucede esto, pero la explicación probable está relacionada con la forma en que crece una galaxia. Hay varios tipos de galaxias, las más comunes son las galaxias elípticas (distribuciones de luz suaves, sin rasgos distintivos y aparecen como elipses en las imágenes), galaxias espirales (consisten en un disco aplanado, con estrellas formando una estructura espiral) y galaxias lenticulares (consisten en una protuberancia central brillante rodeada por una estructura extendida en forma de disco pero, a diferencia de las galaxias espirales, los discos de las galaxias lenticulares no tienen una estructura espiral visible).

Las galaxias elípticas se forman cuando dos galaxias más pequeñas se fusionan, con sus estrellas, planetas y agujeros negros mezclándose. Debido a que la materia oscura es más pesada que todo lo demás, moldea la formación y el desarrollo de la nueva galaxia, incluso desde las afueras hasta el agujero negro central.

& # 8220En efecto, el acto de fusionarse crea un plano gravitacional que la galaxia, las estrellas y el agujero negro seguirán para construirse a sí mismos & # 8221, explica Bogdan.

La galaxia taza de té. El rojo / amarillo muestra la emisión de radio & # 8220bubbles & # 8221, el azul muestra el gas y el amarillo brillante en el centro muestra dónde están conduciendo los chorros hacia el gas. Imagen vía CNET.

Este estudio, que se realizó en Teacup Glaaxy, también podría proporcionar información sobre la formación y el desarrollo de agujeros negros en las galaxias, algo sobre lo que tenemos muy poca información.

“Este trabajo en particular sobre la Galaxia Taza de Té ha proporcionado nuevos conocimientos sobre cómo los agujeros negros [impulsan la energía] en las galaxias ordinarias”, dijo Harrison. “Parecen ser capaces de impulsar chorros de partículas cargadas que chocan con el gas. Podrías imaginar el "chorro" como un cañón de agua que se lanza contra una multitud de personas: el cañón de agua choca con la multitud y hace que se rompa y se disperse rápidamente. En esta analogía, la multitud representa el gas en la galaxia que está tratando de formar estrellas, pero es destruido por el chorro ”.

El hecho de que nuestra galaxia también tenga un agujero negro supermasivo en su centro les da más material de estudio a los astrónomos. De hecho, puede haber similitudes significativas entre la Vía Láctea y la Galaxia de la Taza de Té (aparte de los nombres de sus bebidas).

"Hay un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra Vía Láctea", agregó Harrison. “Ahora hay buena evidencia de que este agujero negro ha conducido grandes cantidades de energía a la galaxia en el pasado, a través de las llamadas 'Burbujas de Fermi', así como otras evidencias. Es probable que hace miles de millones de años la Vía Láctea estuviera formando estrellas mucho más rápidamente y el agujero negro pudo haber jugado un papel en el cierre de esto. Sin embargo, esto no se comprende bien. Vale la pena señalar que las galaxias donde creemos que los agujeros negros supermasivos han tenido la mayor influencia están "muertas" con poca o ninguna formación de estrellas. Por el contrario, la Vía Láctea todavía está formando estrellas (alrededor de una por año) ”.

El artículo que describe este trabajo ha sido aceptado para su publicación en Astrophysical Journal.


Por un agujero negro

Los físicos del MIT y SUNY Stony Brook anunciaron recientemente los hallazgos de que el área de superficie total de dos agujeros negros se mantuvo después de que las dos entidades se fusionaron. Si bien esta investigación fue una confirmación bienvenida tanto del trabajo de Stephen Hawking como de la teoría de la relatividad general, no abordó un asunto crucial: ¿cuáles fueron sus implicaciones raciales?

Esa es una laguna que un curso de astronomía en la Universidad de Cornell tiene como objetivo prevenir. "Black Holes: Race and the Cosmos" hace la pregunta: "¿Existe una conexión entre el cosmos y la idea de la negrura racial?" Cualquiera que esté familiarizado con la monomanía racial de la academia sabe la respuesta: ¡por supuesto que la hay! Aunque la "sabiduría convencional", según la descripción del catálogo de "Agujeros negros: la raza y el cosmos", sostiene que "lo 'negro' en los agujeros negros no tiene nada que ver con la raza", el profesor de astronomía Nicholas Battaglia y la profesora de literatura comparada Parisa Vaziri conocer mejor.

Battaglia y Vaziri perforan la "sabiduría convencional" basándose en teóricos como la profesora de inglés de la Universidad de Emory, Michelle Wright. El libro de Wright, La física de la negritud: más allá de la epistemología del pasaje medio, invoca las "leyes del movimiento y la gravedad de Newton" y la "física teórica de partículas" para "subvertir las suposiciones racistas sobre la negritud". El curso de Cornell también estudia música de Sun Ra y Outkast para "conjurar la negrura a través de temas cosmológicos".

En 1996, el físico de la Universidad de Nueva York Alan Sokal publicó un artículo, "Transgresión de los límites: hacia una hermenéutica transformadora de la gravedad cuántica", en uno de los santuarios más sagrados de la alta teoría: Texto social. El artículo de Sokal se basó en los esfuerzos de los profesores de literatura comparada y estudios estadounidenses para desplegar conceptos científicos hacia un fin posmoderno: mostrar que la ciencia es un mero juego de poder diseñado para silenciar a las "comunidades disidentes o marginadas", en palabras de Sokal. "Transgredir los límites: hacia una hermenéutica transformadora de la gravedad cuántica" citó a gigantes posmodernos como Andrew Ross y Luce Irigaray sobre temas como "discursos de oposición en la ciencia post-cuántica" y "codificación de género en la mecánica de fluidos". El propio artículo proponía una nueva teoría de la gravedad cuántica que podría servir como base para una "ciencia posmoderna y liberadora".

El artículo de Sokal fue un engaño. Al igual que las fuentes de alta teoría que citó, mutó la ciencia subyacente al tiempo que oscureció su analfabetismo científico con vastas nubes de teorías. Sin embargo, fue aceptado para su publicación, aparentemente sin suscitar una pizca de duda entre Texto socialEditores.

Para el mundo exterior, Sokal parecía haber asestado un golpe letal a las tonterías académicas. Sin embargo, la teoría posmoderna continuó extendiéndose sin oposición por todos los departamentos de humanidades y muchos departamentos de ciencias sociales, criando generaciones de revolucionarios de sillón ignorantes pero moralistas.

En 2017, tres académicos, incluido el filósofo de la Universidad Estatal de Portland Peter Boghossian, nuevamente intentaron avergonzar al sector de las humanidades con una erudición seria. Enviaron 20 artículos falsos empapados de teoría a varios estudios culturales, estudios de género y revistas de ciencias sociales. Cuatro fueron publicados y tres aceptados para su publicación antes de que se expusiera el engaño. "El pene conceptual como construcción social", publicado en Ciencias sociales convincentes, defendió la comprensión del pene no como "un órgano anatómico sino como una construcción social isomorfa a la masculinidad tóxica performativa". El cambio climático es uno de los efectos más dañinos del pene conceptual, argumentó el artículo. Otro trabajo publicado analizó la cultura de la violación en los parques para perros.

Esta vez, el mundo académico se defendió. La Universidad Estatal de Portland declaró a Boghossian culpable de violar las pautas éticas para realizar investigaciones en seres humanos. Boghossian debería haber notificado a los editores de las revistas de destino que les iba a enviar un artículo deliberadamente sin sentido, según la universidad. Bajo amenaza de despido por incumplimiento, se ordenó a Boghossian que se capacitara sobre cómo realizar dicha investigación.

Las humanidades y gran parte de las ciencias sociales han estado más allá de la parodia y la vergüenza durante mucho tiempo. Lo diferente de "Black Holes: Race and the Cosmos" es su cotización conjunta en un departamento científico real. El curso cumple con el requisito de distribución científica de Cornell, al tocar conceptos como el espectro electromagnético. No es sorprendente que la astronomía fuera una de las primeras en adoptar la teoría de la raza y que Cornell liderara el camino. Muchos departamentos de astronomía han estado a la vanguardia de las políticas de identidad del campus, eliminando el GRE de física como un requisito para los estudios de posgrado, por ejemplo, debido a que tiene un impacto dispar en estudiantes mujeres, negras e hispanas. El departamento de astronomía de Cornell ni siquiera permitirá que los futuros estudiantes de posgrado presenten el GRE general o el GRE de física. El departamento de ingeniería de Cornell acepta mujeres universitarias a una tasa dos veces y media mayor que la de los hombres, para obtener una clase de ingeniería que es mayoritariamente femenina. Esto difícilmente es un accidente. El doble de hombres que de mujeres aspirantes a estudiantes de ingeniería solicitan admisión; el puntaje promedio del SAT de matemáticas masculino es significativamente más alto que el puntaje promedio femenino, y los hombres predominan en los tramos superiores de la curva.

La charlatanería académica actual consiste en parte en confundir la retórica con el conocimiento y las palabras con las cosas. Este juego de manos es particularmente frecuente en asuntos relacionados con la raza. El profesor de Hunter College, Philip Ewell, sostiene que el concepto de jerarquías tonales y armónicas en la teoría musical es un sustituto de las perniciosas jerarquías raciales. (Véase el artículo de próxima aparición sobre la raza en la música clásica en la edición de verano de Diario de la ciudad.) Estudiantes negros de la escuela de negocios de la USC protestaron en 2020 porque escuchar a un profesor usar la frase en mandarín para "eso" - "nèi ge" - constituía acoso racial, ya que la frase en mandarín puede sonar como la temida "palabra N". El profesor fue despedido por “marginar, herir y dañar la seguridad psicológica” de los estudiantes de la USC, en palabras del decano de la escuela de negocios.

Al ver los espectros del racismo en todas partes, los vengadores raciales están derribando todas las instituciones asociadas con la civilización occidental, simplemente por su "blancura". La ciencia se había mantenido en guardia contra ese pensamiento mágico y metafórico. Poco a poco, va sucumbiendo.

Heather Mac Donald es becaria Thomas W. Smith en el Manhattan Institute, editora colaboradora de Diario de la ciudad, y el autor del bestseller El engaño de la diversidad: cómo el proxenetismo racial y de género corrompen la universidad y socavan nuestra cultura.


¿Cuál es la conexión entre los agujeros negros de masa estelar y la materia oscura?

Imagina que eres una estrella de neutrones. Estás felizmente flotando en el espacio, demasiado viejo para fusionar núcleos en tu núcleo, pero la presión cuántica de tus neutrones y quarks evita fácilmente que colapses bajo tu propio peso. Esperas una larga jubilación estelar de enfriamiento gradual. Entonces, un día, te golpea un pequeño agujero negro. Este agujero negro solo tiene la masa de un asteroide, pero hace que te vuelvas inestable. La gravedad te aplasta mientras el agujero negro te consume de adentro hacia afuera. Antes de que te des cuenta, te has convertido en un agujero negro.

Según una nueva investigación publicada en Cartas de revisión física, este escenario podría suceder de vez en cuando, y podría explicar la materia oscura y el agujero negro más pequeño que hemos observado.

Las estrellas de neutrones suelen tener una masa de entre 1,5 y 2 masas solares. Se forman porque la presión cuántica de los neutrones es lo suficientemente fuerte como para contrarrestar el peso gravitacional de la estrella. Pero hay un límite en la masa que puede tener una estrella de neutrones. Es conocido como el límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV). Este límite es difícil de calcular, pero creemos que ronda las 2,5 masas solares. Todo lo que supere el límite de TOV debería colapsar en un agujero negro.

La colisión de estrellas de neutrones podría formar agujeros negros de masa solar. Crédito: Robin Dienel / Carnegie Institution for Science

La estrella de neutrones más grande que hemos observado tiene aproximadamente 2,24 masas solares. El agujero negro más pequeño que hemos observado tiene aproximadamente 2,6 masas solares. Por un lado, esto parece confirmar que 2,5 masas solares es una estimación bastante buena del límite TOV. Por otro lado, esto plantea una pregunta interesante sobre cómo se pudo haber formado un agujero negro tan pequeño.

Muchos agujeros negros de masa estelar se forman cuando una estrella grande explota como supernova. Su núcleo está comprimido y colapsa gravitacionalmente. Según nuestro conocimiento de las estrellas grandes, los agujeros negros de masa estelar más pequeños deberían tener alrededor de 4 masas solares. Los agujeros negros también podrían formarse cuando dos estrellas de neutrones chocan, o tal vez la colisión de una enana blanca y una estrella de neutrones, pero estos también deberían producir agujeros negros de al menos 3 masas solares.

Cómo se pueden formar los agujeros negros de masa solar. Crédito: Takhistov, et al.

Entonces, ¿cómo se forma un agujero negro de solo 2,6 masas solares? Si bien una fusión puede crear pequeños agujeros negros, este nuevo estudio busca una alternativa. La idea involucra agujeros negros primordiales. Estos hipotéticos agujeros negros podrían haberse formado en el universo temprano y podrían tener una masa más pequeña que la Tierra. Si existen agujeros negros primordiales, entonces podrían chocar con una estrella de neutrones, provocando su colapso en un agujero negro de masa solar.

Si bien la idea se propuso anteriormente, en este estudio el equipo analiza cómo esto podría conectarse con la materia oscura. Algunos astrónomos han propuesto que la materia oscura podría estar formada por agujeros negros primordiales. Si eso es cierto, el cosmos debe estar lleno de agujeros negros primordiales y las colisiones con estrellas de neutrones deberían ser comunes. Así que el equipo analizó la distribución de masa de estrellas de neutrones conocidas y calculó el tamaño más probable de los agujeros negros de masa solar. Resulta tener entre 1 y 2,5 masas solares. Entonces, el agujero negro más pequeño que hemos observado podría haberse formado a través de una colisión de agujeros negros primordiales.

Esta es una idea interesante, pero la evidencia actual no es convincente. Aún así, a medida que LIGO y Virgo observan más colisiones de agujeros negros, podrían observar muchos más agujeros negros pequeños. Si lo hacen, es posible que tengamos que analizar más de cerca esta idea de la materia oscura.

Referencia: Takhistov, Volodymyr, George M. Fuller y Alexander Kusenko. & # 8220 Prueba del origen de los agujeros negros de la masa solar. & # 8221 Cartas de revisión física 126.7 (2021): 071101.


Fuerzas oscuras ocultas: una nueva dimensión en la búsqueda para comprender la materia oscura

Como sugiere su nombre, la materia oscura, material que constituye aproximadamente el 85% de la masa del universo, no emite luz, eludiendo una fácil detección. Sus propiedades también permanecen bastante oscuras.

Ahora, un físico teórico de partículas de la Universidad de California, Riverside, y sus colegas han publicado un artículo de investigación en el Revista de física de altas energías eso muestra cómo las teorías que postulan la existencia de un nuevo tipo de fuerza podrían ayudar a explicar las propiedades de la materia oscura.

& # 8220 Vivimos en un océano de materia oscura, pero sabemos muy poco acerca de lo que podría ser & # 8221, dijo Flip Tanedo, profesor asistente de física y astronomía y autor principal del artículo & # 8217. & # 8220Es una de las incógnitas conocidas más desconcertantes de la naturaleza. Sabemos que existe, pero no sabemos cómo buscarlo o por qué no ha aparecido donde lo esperábamos.

Los físicos han utilizado telescopios, experimentos subterráneos gigantes y colisionadores para aprender más sobre la materia oscura durante los últimos 30 años, aunque no se ha materializado ninguna evidencia positiva. Sin embargo, la evidencia negativa ha obligado a físicos teóricos como Tanedo a pensar de manera más creativa sobre lo que podría ser la materia oscura.

Flip Tanedo es profesor asistente de física y astronomía en UC Riverside. Crédito: Thomas Wasper

La nueva investigación, que propone la existencia de una dimensión extra en el espacio-tiempo para buscar materia oscura, es parte de un programa de investigación en curso en UC Riverside dirigido por Tanedo. Según esta teoría, algunas de las partículas de materia oscura no se comportan como partículas. En efecto, las partículas invisibles interactúan con partículas aún más invisibles de tal manera que estas últimas dejan de comportarse como partículas.

& # 8220El objetivo de mi programa de investigación durante los últimos dos años es extender la idea de la materia oscura & # 8216 hablando & # 8217 a las fuerzas oscuras & # 8221, dijo Tanedo. & # 8220 Durante la última década, los físicos han llegado a apreciar que, además de la materia oscura, las fuerzas oscuras ocultas pueden gobernar las interacciones de la materia oscura. Estos podrían reescribir completamente las reglas sobre cómo se debe buscar la materia oscura. & # 8221

Si dos partículas de materia oscura son atraídas o repelidas entre sí, entonces están operando las fuerzas oscuras. Tanedo explicó que las fuerzas oscuras se describen matemáticamente mediante una teoría con dimensiones adicionales y aparecen como un continuo de partículas que podrían abordar los acertijos que se ven en las galaxias pequeñas.

& # 8220Nuestro programa de investigación en curso en la UCR es una generalización adicional de la propuesta de la fuerza oscura & # 8221, dijo. & # 8220 Nuestro universo observado tiene tres dimensiones de espacio. Proponemos que puede haber una cuarta dimensión que solo conocen las fuerzas oscuras. La dimensión extra puede explicar por qué la materia oscura se ha escondido tan bien de nuestros intentos de estudiarla en un laboratorio. & # 8221

La foto muestra a Flip Tanedo (izquierda), Sylvain Fichet (centro) y Hai-Bo Yu. Crédito: Flip Tanedo, UC Riverside

Tanedo explicó que, aunque las dimensiones adicionales pueden parecer una idea exótica, en realidad son un truco matemático para describir las & # 8220 teorías de campo conformales & # 8221: teorías tridimensionales ordinarias que son altamente mecánicas cuánticas. Este tipo de teorías son matemáticamente ricas, pero no contienen partículas convencionales, por lo que normalmente no se consideran relevantes para describir la naturaleza. La equivalencia matemática entre estas desafiantes teorías tridimensionales y una teoría extra dimensional más manejable se conoce como el principio holográfico.

& # 8220Dado que estas teorías de campo conformes eran tanto intratables como inusuales, no se habían & # 8217t realmente aplicadas sistemáticamente a la materia oscura & # 8221 Tanedo. & # 8220En lugar de usar ese lenguaje, trabajamos con la teoría holográfica extradimensional. & # 8221

La característica clave de la teoría extradimensional es que la fuerza entre las partículas de materia oscura es descrita por un número infinito de partículas diferentes con masas diferentes llamado continuo. Por el contrario, las fuerzas ordinarias se describen mediante un solo tipo de partícula con una masa fija. Esta clase de sectores oscuros continuos es emocionante para Tanedo porque hace algo & # 8220fresco y diferente & # 8221.

Según Tanedo, el trabajo anterior sobre sectores oscuros se centra principalmente en teorías que imitan el comportamiento de las partículas visibles. Su programa de investigación está explorando los tipos más extremos de teorías que la mayoría de los físicos de partículas encontraron menos interesantes, tal vez porque no existen análogos en el mundo real.

En la teoría de Tanedo, la fuerza entre las partículas de materia oscura es sorprendentemente diferente de las fuerzas que siente la materia ordinaria.

& # 8220 Para la fuerza gravitacional o fuerza eléctrica que enseño en mi curso de introducción a la física, cuando se duplica la distancia entre dos partículas se reduce la fuerza en un factor de cuatro. Una fuerza continua, por otro lado, se reduce en un factor de hasta ocho. & # 8221

¿Qué implicaciones tiene esta fuerza oscura extra dimensional? Dado que la materia ordinaria puede no interactuar con esta fuerza oscura, Tanedo recurrió a la idea de la materia oscura que interactúa por sí misma, una idea iniciada por Hai-Bo Yu, profesor asociado de física y astronomía en la UCR que no es coautor del artículo. Yu demostró que incluso en ausencia de interacciones con la materia normal, los efectos de estas fuerzas oscuras podrían observarse indirectamente en las galaxias esferoidales enanas. El equipo de Tanedo & # 8217 descubrió que la fuerza continua puede reproducir los movimientos estelares observados.

& # 8220Nuestro modelo va más allá y hace que sea más fácil que el modelo de materia oscura autointeractiva explicar el origen cósmico de la materia oscura & # 8221 Tanedo.

A continuación, el equipo de Tanedo & # 8217s explorará una versión continua del modelo & # 8220dark photon & # 8221.

& # 8220Es & # 8217 una imagen más realista para una fuerza oscura, & # 8221 Tanedo. & # 8220Los fotones oscuros se han estudiado con gran detalle, pero nuestro marco extradimensional tiene algunas sorpresas. También analizaremos la cosmología de las fuerzas oscuras y la física de los agujeros negros. & # 8221

Tanedo ha estado trabajando diligentemente en la identificación de & # 8220 puntos ciegos & # 8221 en su equipo & # 8217 en la búsqueda de materia oscura.

& # 8220Mi programa de investigación apunta a una de las suposiciones que hacemos sobre la física de partículas: que la interacción de partículas está bien descrita por el intercambio de más partículas, & # 8221, dijo. & # 8220Si bien eso es cierto para la materia ordinaria, no hay & # 8217 razón para suponer eso para la materia oscura. Sus interacciones podrían describirse mediante un continuo de partículas intercambiadas en lugar de simplemente intercambiar un solo tipo de partícula de fuerza. & # 8221

Referencia: & # 8220 Materia oscura auto-interactuante mediada por el continuo & # 8221 por Ian Chaffey, Sylvain Fichet y Philip Tanedo, 1 de junio de 2021, Revista de física de altas energías.
DOI: 10.1007 / JHEP06 (2021) 008

Tanedo se unió a la investigación por Ian Chaffey, un investigador postdoctoral que trabaja con Tanedo y Sylvain Fichet, un investigador postdoctoral en el Centro Internacional de Física Teórica & # 8211 Instituto Sudamericano de Investigaciones Fundamentales en Brasil.


Energía oscura: los astrónomos encuentran el origen esquivo de la energía misteriosa: "una nueva clase de fenómeno"

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La materia oscura 'agrupada en dos billones de galaxias' dice un experto

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La energía oscura es responsable de la expansión cada vez más acelerada del Universo. Sin embargo, exactamente cómo sucede esto ha dejado perplejos a los expertos espaciales durante las dos décadas desde que se postuló por primera vez la energía oscura. Ahora se sabe que la causa de este rápido crecimiento es el resultado de una entidad relativamente pequeña que existe en el espacio entre las galaxias. Y los investigadores de la Universidad de Hawaii (UH) han llegado a una conclusión sorprendente como parte de un nuevo estudio.

Tendencias

Los expertos comenzaron a sugerir que las estrellas que colapsan no deberían formar verdaderos agujeros negros, sino que pueden crear objetos genéricos de energía oscura (GEODE) a mediados de la década de 1960.

Si se confirma mediante la observación, sería una clase de fenómeno completamente nueva.

Dr. Duncan Farrah

Los investigadores descubrieron que los GEODE son distintos de los agujeros negros, ya que son incapaces de "romper" las ecuaciones de Einstein con singularidades.

Como los GEODE se parecen mucho a los agujeros negros, la gente creía que viajaban por el cosmos de la misma forma que los agujeros negros.

Kevin Croker, investigador del Departamento de Física y Astronomía de la UH M & # 257noa & rsquos y autor principal del estudio, dijo: “Esto se convierte en un problema si quieres explicar la expansión acelerada del Universo.

"Aunque probamos el año pasado que los GEODE, en principio, podían proporcionar la energía oscura necesaria, se necesitan muchos GEODE antiguos y masivos.

El universo tiene el 7% de su edad actual en la parte inferior, el 24% en el medio y el universo actual (parte superior) (Imagen: Volker Springel y el Instituto Max-Planck de Astrofísica)

Energía oscura: la energía oscura sigue siendo uno de los elementos más importantes y esquivos del Universo (Imagen: Getty)

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& ldquoSi se movieran como agujeros negros, permaneciendo cerca de la materia visible, las galaxias como nuestra propia Vía Láctea se habrían interrumpido. & rdquo

Pero la nueva investigación, publicada en The Astrophysical Journal, encontró que las capas giratorias que orbitan alrededor de un GEODE revelan cómo se mueven entre sí.

Cuando sus capas externas giran con relativa lentitud, los GEODE se agrupan más rápido que los agujeros negros, que es la forma en que los GEODE ganan masa a partir del crecimiento del propio Universo.

Pero los GEODE con capas que giran a la velocidad de la luz quedan dominados por un efecto diferente y comienzan a repelerse entre sí.

Energía oscura: las estrellas que colapsan crean objetos genéricos de energía oscura (GEODE) a mediados de la década de 1960 (Imagen: Getty)

Duncan Farrah, coautor y miembro de la facultad del Instituto de Astronomía de la UH, dijo: & ldquoLa dependencia del giro fue realmente bastante inesperada.

"Si se confirma mediante la observación, sería una clase de fenómeno completamente nueva".

El equipo resolvió las ecuaciones de Einstein asumiendo que las estrellas más viejas nacidas cuando el Universo tenía menos del dos por ciento de su edad actual formaron GEODE cuando murieron.


¿Los agujeros negros tienen materia oscura?

Mucha gente piensa que "materia oscura" = "agujeros negros". Para los informados casualmente, esa igualdad tiene sentido. No puedes ver uno y no puedes ver el otro. Aquellos que conocen un poco más sobre el cosmos entienden que estos son dos fenómenos muy distintos.

Ser dos fenómenos distintos tampoco requiere que todos los componentes también sean distintos. En este caso, comúnmente pensamos en la materia oscura como una especie de fuerza / sustancia misteriosa que se avecina "allá afuera", pero que interactúa con nosotros a través de la gravedad invisible. Algunos componentes se pueden compartir.

Abundan las imágenes artísticas de agujeros negros como bestias hambrientas chupando estrellas y gas. Los artistas ilustran esta glotonería gravitacional con materia bariónica identificable, no con materia oscura invisible. Es muy fácil para la mente casual equiparar la invisibilidad con la no presencia y la falta de interacción. Hay una zona justo afuera del horizonte de eventos de un agujero negro supermasivo donde los objetos identificables giran rápidamente, debido a la gran masa cercana, y aún permanecen afuera. Esa acción visible nos ayuda a localizar el propio agujero negro supermasivo.

La materia oscura es primitiva y fundamental para la estructura de las galaxias y los cúmulos de galaxias. Se encuentra en todos los universos del Multiverso. Es muy estable y, por lo tanto, es anterior a nuestro universo dentro del Universo.

Soy principalmente un físico taoísta de energía / partículas. Cada vez hay menos evidencia de más de cuatro dimensiones y de branas (que son como membranas de dimensiones separadas). Las dos grandes noticias en esta área para 2014 son (1) el fracaso de BICEP2 para establecer ondas gravitatorias primarias durante la era más temprana de nuestro universo y (2) la probabilidad de que el tan publicitado descubrimiento del bosón de Higgs sea falso, o de importancia mínima en el panorama general.

Una visión revisada de LeSage del universo no requiere más de cuatro dimensiones (l, a, h y tiempo), a diferencia de las teorías de cuerdas sofisticadas con diez dimensiones derivadas de la Relatividad General. Curiosamente, la relatividad especial era más newtoniana, también de cuatro dimensiones. El único problema con la visión del mundo de Newton: no sabía qué es la gravedad en sí misma, solo cómo aparentemente se comporta en el espacio cercano.

Depende de los físicos de partículas explicar un poco la esencia de la gravedad. Antes de mi formulación a principios de este año, las mejores ideas vinieron de Georges LeSage en el siglo XVIII. La teoría del empuje (o sombra) de LeSage se vino abajo en el siglo XIX como se formuló originalmente, abriendo la puerta a los modelos de éter. Mi versión del siglo XXI corrige el error de usar para la fuerza gravitacional objetos hiperluminales similares a bolas de billar. Imaginé flujos de gravitones subluminales para explicar la gravedad.

Los gravitones también son la mascota de la teoría de cuerdas. Se supone que son portadores de fuerza sin masa (NO), capaces de viajar entre branas dimensionales, como en los agujeros de gusano creados y energizados por agujeros negros. En esta idea, funcionan como rayos tractores dentro de las curvas del espacio-tiempo, no como corrientes de empuje.

This fantasy sets the stage for scientifically fraudulent movies such as Interstellar. It is shameful that some famous astrophysicists have gone "goo-goo-ga-ga" over the massively phony "science" in this movie. (The film makers couldn't even get right the size and color of corn plants in a long, global dust bowl.)

What then are actual gravitons, and how do they fit in with the reality of black holes? Gravitons are roughly circular, vibrating strings that constitute most of dark matter. Their individual size is about minus 37th power meters, too small to directly detect. There is another size dimension below gravitons, called the YY dimension. That's short for "YinYang." We know this concept from ancient Chinese philosophy. Yin is poetically expressed as the dark, female aspect of reality and Yang is the light, expansive aspect. Through their interdependent dual natures, Yin and Yang together constitute the real nature of reality. Of course, we can't see and measure energy/particles at this dimension, as quantum theory points out, but you can envision them through a scientific Occam's Razor. Jonathan Swift said, "Vision is the art of seeing things invisible." Swift was talking about honest scientific vision, not hallucinatory vision, as in the movie Interstellar.

YY particles in the YY-size dimension are sequentially attached to, and detach from, vibrating gravitons. Individually, they are usually spherical. Their nature is to link together in linear chains. Launched strands of different length, and of different vibrational frequency, constitute different electromagnetic (EM) particles. Yes, photons (YY particle strands) do have some mass, which is why they are deflected by push gravity.

Attached YY particles are strongly bound to each other by "primary electromagnetism," which is not defined by plus and minus poles. YY particles tend to repel each other until they directly adhere. What we know on larger scales is "secondary magnetism," with electromagnetic poles. Interestingly, both types of particles have inherent poles, though only secondary magnetic particles apparently express this duality. The idea of primary EM provides us with a clue to understanding the strong force. The dialectical conversion on larger scales of primary EM into secondary EM provides a clue to understanding the weak force.

YY particles also float free in space everywhere in numbers beyond our comprehension. They are within baryonic matter, and they are within dark matter. You could say that our "empty space" universe is virtually filled with random YY particles moving in all directions at luminal or subluminal speeds within frames of reference. Such YY particles and their associated gravitons do not constitute anything like branes and extra dimensions.

Dark Matter = YY particles and gravitons, mostly. There is room for other items to inhabit dark matter, to a lesser degree. The scientists at CERN may soon find some of these lesser elements of dark matter. WIMPS are larger candidates currently in favor. CERN will never directly detect individual YY particles, due to their being approximately 1000 times smaller than gravitons. They may indirectly detect gravitons, as these are close below the Planck Limit of detectability.

Back to the topic at hand: Black hole cores can be composed of formerly baryonic matter AND so-called dark matter. The center of a persistent black hole is NOT a zero-dimensional singularity. It simply is a very compact mass of incredible density, where the inflow of gravity inside the event horizon is stronger than the outflow of photons. Only at the center of a big-bang black hole does the center mass implode to near zero dimensions, and instantaneously the yin of implosion flips to the yang of explosion.

The more massive the core, the more distant is its event horizon. Black hole event horizons are not perfectly spherical, because the internal forces are not perfectly smooth. Irregularity gives some opportunity for Hawking radiation just inside the event horizon to drain off the contents of the black hole. For very tiny black holes self extinction can be swift and for supermassive black holes this radiation depletion could take many billions of years.

It is easy to imagine a singular and limited universe where radiation depletion over a trillion years could invite the victory of entropy over negentropy, according to the Second Law of Thermodynamics. However, Yin and Yang operate between and among many, possibly infinite, universes composing the Multiverse. The Law of Conservation of Energy and Matter ensures the balance of entropy (disorder) with negentropy (order) on the Universal level, even while entropy could win out for awhile within the local volume of individual universes.

Thus we see how the smallest energy/matter elements, the YY particles (at negative 40th power meters) also constitute in sum the great inter-universal reality (at positive 27th power, or greater, meters). The infinitesimal populates the seemingly infinite. The Multiverse is the Universe. Within this comprehensive picture black holes are an interesting local gravity phenomenon, but not very special. They are not the engines of intergalactic worm holes, and they do not mediate transport between branes in different dimensions comprising different universes. Anyone into theatrical science fiction who is disappointed by this reality should mentally pivot, and appreciate the greater glory of the real Multiverse Universe, including its infinitesimal components. We can still travel to other imagined universes instantly, with our minds. What our minds can envision, we may be able to create here. This way we can have our space alien visitations, and still retain a level of intellectual honesty.


Primordial black holes and the search for dark matter from the multiverse

Fig1. Baby universes branching off of our universe shortly after the Big Bang appear to us as black holes. (Credit:Kavli IPMU)

The Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) is home to many interdisciplinary projects which benefit from the synergy of a wide range of expertise available at the institute. One such project is the study of black holes that could have formed in the early universe, before stars and galaxies were born.

Such primordial black holes (PBHs) could account for all or part of dark matter, be responsible for some of the observed gravitational waves signals, and seed supermassive black holes found in the center of our Galaxy and other galaxies. They could also play a role in the synthesis of heavy elements when they collide with neutron stars and destroy them, releasing neutron-rich material. In particular, there is an exciting possibility that the mysterious dark matter, which accounts for most of the matter in the universe, is composed of primordial black holes. The 2020 Nobel Prize in physics was awarded to a theorist, Roger Penrose, and two astronomers, Reinhard Genzel and Andrea Ghez, for their discoveries that confirmed the existence of black holes. Since black holes are known to exist in nature, they make a very appealing candidate for dark matter.

The recent progress in fundamental theory, astrophysics, and astronomical observations in search of PBHs has been made by an international team of particle physicists, cosmologists and astronomers, including Kavli IPMU members Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada and Volodymyr Takhistov.

Fig2. Hyper Suprime-Cam (HSC) is a gigantic digital camera on the Subaru Telescope (Credit:HSC project / NAOJ)

To learn more about primordial black holes, the research team looked at the early universe for clues. The early universe was so dense that any positive density fluctuation of more than 50 percent would create a black hole. However, cosmological perturbations that seeded galaxies are known to be much smaller. Nevertheless, a number of processes in the early universe could have created the right conditions for the black holes to form.

One exciting possibility is that primordial black holes could form from the "baby universes" created during inflation, a period of rapid expansion that is believed to be responsible for seeding the structures we observe today, such as galaxies and clusters of galaxies. During inflation, baby universes can branch off of our universe. A small baby (or "daughter") universe would eventually collapse, but the large amount of energy released in the small volume causes a black hole to form.

An even more peculiar fate awaits a bigger baby universe. If it is bigger than some critical size, Einstein's theory of gravity allows the baby universe to exist in a state that appears different to an observer on the inside and the outside. An internal observer sees it as an expanding universe, while an outside observer (such as us) sees it as a black hole. In either case, the big and the small baby universes are seen by us as primordial black holes, which conceal the underlying structure of multiple universes behind their "event horizons." The event horizon is a boundary below which everything, even light, is trapped and cannot escape the black hole.

  • Fig3. The Subaru Telescope in Hawaii. (Credit:NAOJ)
  • Fig4. A star in the Andromeda galaxy temporarily becomes brighter if a primordial black hole passes in front of the star, focusing its light in accordance with the theory of gravity. (Credit: Kavli IPMU/HSC Collaboration)

In their paper, the team described a novel scenario for PBH formation and showed that the black holes from the "multiverse" scenario can be found using the Hyper Suprime-Cam (HSC) of the 8.2m Subaru Telescope, a gigantic digital camera—the management of which Kavli IPMU has played a crucial role—near the 4,200 meter summit of Mt. Mauna Kea in Hawaii. Their work is an exciting extension of the HSC search of PBH that Masahiro Takada, a Principal Investigator at the Kavli IPMU, and his team are pursuing. The HSC team has recently reported leading constraints on the existence of PBHs in Niikura, Takada et. al. (Nature Astronomy 3, 524-534 (2019))

Why was the HSC indispensable in this research? The HSC has a unique capability to image the entire Andromeda galaxy every few minutes. If a black hole passes through the line of sight to one of the stars, the black hole's gravity bends the light rays and makes the star appear brighter than before for a short period of time. The duration of the star's brightening tells the astronomers the mass of the black hole. With HSC observations, one can simultaneously observe one hundred million stars, casting a wide net for primordial black holes that may be crossing one of the lines of sight.

The first HSC observations have already reported a very intriguing candidate event consistent with a PBH from the "multiverse," with a black hole mass comparable to the mass of the Moon. Encouraged by this first sign, and guided by the new theoretical understanding, the team is conducting a new round of observations to extend the search and to provide a definitive test of whether PBHs from the multiverse scenario can account for all dark matter.


Black Hole Paradoxes Reveal a Link Between Energy and Entropy

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"Physicists like to probe the extreme,” said Garrett Goon, a physicist at Carnegie Mellon University. “The fact that you can’t go further, that something is changing, something is blocking you—something interesting is happening there.”

For decades, black holes have played the headlining role in the thought experiments that physicists use to probe nature’s extremes. These invisible spheres form when matter becomes so concentrated that everything within a certain distance, even light, gets trapped by its gravity. Albert Einstein equated the force of gravity with curves in the space-time continuum, but the curvature grows so extreme near a black hole’s center that Einstein’s equations break. Thus, generations of physicists have looked to black holes for clues about the true, quantum origin of gravity, which must fully reveal itself in their hearts and match Einstein’s approximate picture everywhere else.

Original story reprinted with permission from Quanta Magazine, an editorially independent publication of the Simons Foundation whose mission is to enhance public understanding of science by covering research develop­ments and trends in mathe­matics and the physical and life sciences.

Plumbing black holes for knowledge of quantum gravity originated with Stephen Hawking. In 1974 the British physicist calculated that quantum jitter at the surfaces of black holes cause them to evaporate, slowly shrinking as they radiate heat. Black hole evaporation has informed quantum gravity research ever since.

More recently, physicists have considered the extreme of the extreme—entities called extremal black holes—and found a fruitful new problem.

Black holes become electrically charged when charged stuff falls into them. Physicists calculate that black holes have an “extremal limit,” a saturation point where they store as much electric charge as possible for their size. When a charged black hole evaporates and shrinks in the manner described by Hawking, it will eventually reach this extremal limit. It’s then as small as it can get, given how charged it is. It can’t evaporate further.

But the idea that an extremal black hole “stops radiating and just sits there” is implausible, said Grant Remmen, a physicist at the University of California, Berkeley. In that case, the universe of the far future will be littered with tiny, indestructible black hole remnants—the remains of any black holes that carry even a touch of charge, since they’ll all become extremal after evaporating enough. There’s no fundamental principle protecting these black holes, so physicists don’t think they should last forever.

So “there is a question,” said Sera Cremonini of Lehigh University: “What happens to all these extremal black holes?”

Physicists strongly suspect that extremal black holes must decay, resolving the paradox, but by some other route than Hawking evaporation. Investigating the possibilities has led researchers in recent years to major clues about quantum gravity.

Four physicists realized in 2006 that if extremal black holes can decay, this implies that gravity must be the weakest force in any possible universe, a powerful statement about quantum gravity’s relationship to the other quantum forces. This conclusion brought greater scrutiny to extremal black holes’ fates.

Then, two years ago, Remmen and collaborators Clifford Cheung and Junyu Liu of the California Institute of Technology discovered that whether extremal black holes can decay depends directly on another key property of black holes: their entropy—a measure of how many different ways an object’s constituent parts can be rearranged. Entropy is one of the most studied features of black holes, but it wasn’t thought to have anything to do with their extremal limit. “It’s like, wow, OK, two very cool things are connected,” Cheung said.

In the latest surprise, that link turns out to exemplify a general fact about nature. In a paper published in March in Physical Review Letters, Goon and Riccardo Penco broadened the lessons of the earlier work by proving a simple, universal formula relating energy and entropy. The newfound formula applies to a system such as a gas as well as a black hole.

With the recent calculations, “you really are learning about quantum gravity,” Goon said. “But maybe even more interesting, you’re learning something about more everyday stuff.”

Physicists see very easily that charged black holes reach an extremal limit. When they combine Einstein’s gravity equations and the equations of electromagnetism, they calculate that a black hole’s charge, Q, can never surpass its mass, METRO, when both are converted into the same fundamental units. Together, the black hole’s mass and charge determine its size—the radius of the event horizon. Meanwhile, the black hole’s charge also creates a second, “inner” horizon, hidden behind the event horizon. As Q increases, the black hole’s inner horizon expands while the event horizon contracts until, at Q = METRO, the two horizons coincide.

If Q increased further, the radius of the event horizon would become a complex number (involving the square root of a negative number), rather than a real one. This is unphysical. So, according to a simple mashup of James Clerk Maxwell’s 19th-century theory of electromagnetism and Einsteinian gravity, Q = METRO must be the limit.

When a black hole hits this point, a simple option for further decay would be to split into two smaller black holes. Yet in order for such splitting to happen, the laws of conservation of energy and conservation of charge require that one of the daughter objects must end up with more charge than mass. This, according to Einstein-Maxwell, is impossible.

But there might be a way for extremal black holes to split in two after all, as Nima Arkani-Hamed, Lubos Motl, Alberto Nicolis, and Cumrun Vafa pointed out in 2006. They noted that the combined equations of Einstein and Maxwell don’t work well for small, strongly curved black holes. At smaller scales, additional details related to the quantum mechanical properties of gravity become more important. These details contribute corrections to the Einstein-Maxwell equations, changing the prediction of the extremal limit. The four physicists showed that the smaller the black hole, the more important the corrections become, causing the extremal limit to move farther and farther away from Q = METRO.

The researchers also pointed out that if the corrections have the right sign—positive rather than negative—then small black holes can pack more charge than mass. For them, Q > METRO, which is exactly what’s needed for big extremal black holes to decay.

If this is the case, then not only can black holes decay, but Arkani-Hamed, Motl, Nicolis, and Vafa showed that another fact about nature also follows: Gravity must be the weakest force. An object’s charge, Q, is its sensitivity to any force other than gravity. Its mass, METRO, is its sensitivity to gravity. Entonces Q > METRO means gravity is the weaker of the two.

From their assumption that black holes ought to be able to decay, the four physicists made a more sweeping conjecture that gravity must be the weakest force in any viable universe. In other words, objects with Q > METRO will always exist, for any kind of charge Q, whether the objects are particles like electrons (which, indeed, have far more electric charge than mass) or small black holes.

This “weak gravity conjecture” has become hugely influential, lending support to a number of other ideas about quantum gravity. But Arkani-Hamed, Motl, Nicolis, and Vafa didn’t prove that Q > METRO, or that extremal black holes can decay. The quantum gravity corrections to the extremal limit might be negative, in which case small black holes can carry even less charge per unit mass than large ones. Extremal black holes wouldn’t decay, and the weak gravity conjecture wouldn’t hold.

This all meant that researchers needed to figure out what the sign of the quantum gravity corrections actually is.

The issue of quantum gravity corrections has come up before, in another, seemingly unrelated line of black hole study.

Almost 50 years ago, the late physicists Jacob Bekenstein and Stephen Hawking independently discovered that a black hole’s entropy is directly proportional to its surface area. Entropy, commonly thought of as a measure of disorder, counts the number of ways an object’s internal parts can be rearranged without any change to its overall state. (If a room is messy, or high entropy, for instance, you can move objects around at random and it will stay messy by contrast, if a room is tidy, or low entropy, moving things around will make it less tidy.) By building a bridge between a black hole’s entropy, which concerns its inner microscopic ingredients, and its geometric surface area, Bekenstein and Hawking’s entropy area law has become one of physicists’ strongest footholds for studying black holes and quantum gravity.

Bekenstein and Hawking deduced their law by applying Einstein’s gravity equations (together with the laws of thermodynamics) to the black hole’s surface. They treated this surface as smooth and ignored any structure that exists over short distances.

In 1993 the physicist Robert Wald of the University of Chicago showed that it’s possible to do better. Wald found clever tricks for inferring the small effects that emanate from more microscopic levels of reality, without knowing what the complete description of that deeper level of reality is. His tactic, pioneered in a different context by the condensed-matter physicist Kenneth Wilson, was to write down every possible physical effect. To Einstein’s equations, Wald showed how to add a series of extra terms—any terms that have the right dimensions and units, constructed of all physically relevant variables—that might describe the unknown short-distance properties of a black hole’s surface. “You can write down the most general set of terms that you could have in principle that describe [black hole] curvatures of a certain size,” said Cremonini.


Courses - Fall 2021

"From Black Holes to undiscovered worlds" - a journey through our fascinating universe. Ever wondered about the universe? What you see in the night sky? How stars get born and how they die? How Black holes work? And if there is life out there in the universe? Join us for a journey through our fascinating universe from Black Holes to undiscovered worlds through the newest discoveries. We are made of stardust. Ad Astra.

Distribution: (PBS-AS, PHS-AS)
Academic Career: UG Instructor: Nikole Lewis (nkl35)
Jonathan Lunine (jil45)
Full details for ASTRO 1101 : From New Worlds to Black Holes

Identical to ASTRO 1101 except for addition of the laboratory.

Distribution: (PBS-AS, PHS-AS)
Academic Career: UG Instructor: Nikole Lewis (nkl35)
Jonathan Lunine (jil45)
Full details for ASTRO 1103 : From New Worlds to Black Holes

Provides a "hands-on" introduction to observational astronomy intended for liberal arts students. High school mathematics is assumed, but otherwise there are no formal prerequisites. The course objective is to learn how we know what we know about the Universe, and to learn how to observe with moderate cost amateur telescopes. There are two lectures and one evening laboratory per week. Typically, labs consist of 4-5 observing sessions using the Fuertes Observatory 12" telescope and a set of Meade 8" telescopes, a trip to Mount Pleasant to look through its 25" telescope and, on cloudy nights, 4-5 in-class experiments, the highlight of which is collecting micrometeorites for study.

Distribution: (PBS-AS, PHS-AS)
Academic Career: UG Instructor: Gordon Stacey (gjs12)
Full details for ASTRO 1195 : Observational Astronomy

Writing course designed to develop an understanding of modern solar system exploration. Discussion will center on describing our home planet as a member of a diverse family of objects in our solar system. In addition to studying what we have learned of other planets and satellites from unmanned spacecraft, we will also discuss the missions themselves and describe the process of how they are selected and developed. Guest lecturers will include political advocacy experts, NASA officials, and science team members of active NASA/ESA missions. Participants will study, debate, and learn to write critically about important issues in science and public policy that benefit from this perspective. Topics discussed include space policy, the potential for life in the ocean worlds of the outer solar system, the search for extrasolar planets and extraterrestrial intelligence, and the exploration of Mars.

Introduction to the solar system with emphasis on the quantitative application of simple physical principles to the understanding of what we observe or can deduce. Topics include: planetary orbital and spin dynamics, tidal evolution, the interiors, surfaces, and atmospheres of the planets including the effects of greenhouse gases on climate, and smaller bodies such as satellites, asteroids and comets. Comparisons will be made between planetary systems discovered about other stars and our own solar system. Results from past and current spacecraft missions will be discussed. Final grades will depend on homework sets and on a final team project and in-class presentation, supported by a joint term paper. The course is more in-depth and quantitative than ASTRO 1102/ASTRO 1104. All course materials will be available online.

This course provides an overview of our current understanding of how galaxies have evolved over the last 13+ billion years and how their evolution has been influenced by their local intergalactic environment. We will look at the evidence that links supermassive black holes, gas accretion and merger events to galaxy evolution and track the star formation rate from early to current epochs. Additional topics will include the formation and distribution of clusters and groups of galaxies, the importance of dark matter and how galaxy evolution fits into the framework of current cosmological models.

Distribution: (PBS-AS, PHS-AS)
Academic Career: UG Instructor: Dominik Riechers (dar329)
Full details for ASTRO 3303 : Galaxies Across Cosmic Time

Introduces Mathematica and modern symbolic manipulator programs to students in quantitative disciplines. The course will cover language concepts, programming tools and techniques and draw examples from a wide variety of fields including mathematics, astronomy, physics, engineering, biology, statistics, finance, and the general topic of big data. For the final project the student will apply the capabilities to an individual area of interest. Both undergraduates and graduates may register.

Distribution: (MQR-AS, SDS-AS, SMR-AS)
Academic Career: UG Instructor: David Chernoff (dfc8)
Full details for ASTRO 3340 : Symbolic and Numerical Computing

The course covers methods in optical and radio astronomy and selected topics in astrophysics. Major experiments use techniques chosen from charge-coupled device (CCD) imaging, optical photometry, optical spectroscopy, radiometry and radio spectroscopy. Observations use the Hartung-Boothroyd Observatory's 24-inch telescope and a 3.8-meter radio telescope on the roof of the Space Sciences Building. The course covers the fundamentals of astronomical instrumentation and data analysis applied to a wide range of celestial phenomena: asteroids, main-sequence stars, supernova remnants, globular clusters, planetary nebulae, the interstellar medium, OH masers, and galaxies. Methods include statistical data analysis, artifact and interference excision, Fourier transforms, heterodyned receivers, and software-defined radio.

Distribution: (PBS-AS, PHS-AS, SDS-AS)
Academic Career: UG Instructor: Jim Cordes (jmc33)
James Lloyd (jl554)
Full details for ASTRO 4410 : Multiwavelength Astronomical Techniques

An introduction to theoretical and observational cosmology aimed at interested science and engineering majors. Topics include an introduction to general relativity as applied to the cosmos the cosmic expansion history and how it relates to the nature of matter in the universe processes in the early universe how galaxies and clusters of galaxies form current and prospective cosmological surveys of galaxies, galaxy clusters, gravitational lensing, and the cosmic microwave background. The material is at a less technical level than the graduate cosmology course ASTRO 6599.

Distribution: (PBS-AS, PHS-AS)
Academic Career: UG Instructor: Nicholas Battaglia (nb572)
Full details for ASTRO 4433 : Introduction to Cosmology

One-semester introduction to general relativity that develops the essential structure and phenomenology of the theory without requiring prior exposure to tensor analysis. General relativity is a fundamental cornerstone of physics that underlies several of the most exciting areas of current research, including relativistic astrophysics, cosmology, and the search for a quantum theory of gravity. The course briefly reviews special relativity, introduces basic aspects of differential geometry, including metrics, geodesics, and the Riemann tensor, describes black hole spacetimes and cosmological solutions, and concludes with the Einstein equation and its linearized gravitational wave solutions. At the level of Gravity: An Introduction to Einstein's General Relativity by Hartle.

Distribution: (PBS-AS, PHS-AS, SMR-AS)
Academic Career: UG Instructor: Saul Teukolsky (sat4)
Full details for ASTRO 4445 : Introduction to General Relativity

Individuals work on selected topics. A program of study is devised by the student and instructor.

A knowledge of classical dynamics is essential for understanding some of the most interesting problems in astrophysics, from planetary systems to galaxies. This course will introduce and review theories of dynamical systems (e.g. Hamiltonian mechanics and nonlinear dynamics). The major focus will be on the dynamics of planetary systems (both Solar system and exoplanetary systems) and galactic dynamics. There are no astronomy or advanced mechanics prerequisites.

This course covers telescope design, optics design and instrumentation for wavelengths from optical to radio and their relation to current research needs. Adaptive optics, interferometry, aperture synthesis, and beam forming will be covered. Instrumentation discussions will include CCD and IR/submillimeter detector arrays, heterodyne systems and phased array feeds at radio wavelengths as well as camera designs, cryogenic systems, spectrographs/spectrometers and interferometric correlators. Sensitivity issues, observing techniques, polarimetry and data analysis will be discussed.

This course covers fundamentals of radiative transfer, bremsstrahlung, synchrotron radiation, Compton scattering, spectral line transfer, gas heating and cooling, and topics in atomic and molecular spectroscopy are discussed within the framework of astrophysical sources and problems. Applications will include the interstellar and intergalactic media, neutron stars, active galactic nuclei, and exoplanetary systems.

Guided reading and seminars on topics not currently covered in regular courses.

Introduces Mathematica and modern symbolic manipulator programs to students in quantitative disciplines. The course will cover language concepts, programming tools and techniques and draw examples from a wide variety of fields including mathematics, astronomy, physics, engineering, biology, statistics, finance, and the general topic of big data. For the final project the student will apply the capabilities to an individual area of interest. Both undergraduates and graduates may register.

This course is a reading seminar where graduate students will gain astronomy breadth, practice public speaking, and distill important results from seminal astronomy research papers.