Los agujeros negros primordiales podrían explicar la materia oscura, el crecimiento de las galaxias y mucho más

Un día, hace poco más de cinco años, Ely Kovetz almorzaba con sus colegas de la Universidad Johns Hopkins de Baltimore y discutía un rumor tentador. Al igual que muchos en la comunidad de físicos, Kovetz había escuchado el rumor sobre una posible señal de un observatorio de física estadounidense recientemente puesto en operación. El observatorio estaba diseñado para captar perturbaciones en el tejido del espacio-tiempo, ondulaciones creadas, entre otras cosas, por agujeros negros que chocan entre sí. Lo más intrigante es que la señal parecía haber sido creada por objetos masivos, mucho más pesados de lo que se esperaba. Eso apuntaba a algunas posibilidades sorprendentes.

“Lo primero que pensó todo el mundo fue ‘¿Qué? Esto no puede ser. Esto es imposible’”, recuerda Kovetz, físico de la Universidad Ben-Gurión de Israel y profesor visitante en Johns Hopkins. Pero entonces empezó a surgir una sospecha más emocionante. Tal vez, pensaron, esto podría ser una señal de agujeros negros primordiales.

¡Agujeros negros desde el inicio de los tiempos! Parece el título de una película de ciencia ficción de bajo presupuesto, pero fracciones de segundo después de que naciera nuestro universo, un enjambre de voraces agujeros negros podría haberse formado espontáneamente a partir de la ardiente energía que impregnaba el cosmos. Apoyados por las matemáticas y la teoría, pero nunca observados definitivamente, estos agujeros negros primordiales son una posibilidad que ha fascinado a los físicos durante casi medio siglo, ganando o perdiendo popularidad a medida que nuevas observaciones parecían apoyar o excluir su existencia.

Las desconcertantes señales de 2015 del Observatorio de Ondas Gravitatorias por Interferometría Láser estadounidense (LIGO, por sus siglas en inglés), y otras docenas de detecciones realizadas por el observatorio y su homólogo europeo, Virgo, han alimentado un renovado interés por la idea, con cientos de artículos publicados sobre ellos en tan solo los últimos cinco años.

Los agujeros negros primordiales, de existir, serían entidades masivas que no emiten luz, por lo que serían invisibles. Dado que estarían dispersos por todo el universo, podrían ayudar a dar sentido a una amplia variedad de observaciones extrañas que hasta ahora han desafiado la explicación. Una de las principales razones por las que los investigadores se sienten atraídos por estos extraños agujeros negros es que podrían resolver uno de los mayores y más enigmáticos misterios de la astrofísica: la identidad de la materia oscura.

Aunque no puedan detectarla, los físicos saben que la materia oscura existe porque sus efectos gravitatorios se ven por todo el cosmos. Pero nadie sabe de qué está hecha. Los agujeros negros masivos primordiales podrían ser la respuesta que se busca desde hace tiempo. Estos grandes y pesados objetos podrían haber servido también como anclas alrededor de las cuales se unieron las primeras galaxias, otro enigma que se ha resistido durante mucho tiempo a la explicación.

Aunque sigue habiendo escepticismo, los verdaderos creyentes esperan con impaciencia los nuevos proyectos de telescopios y estudios del cielo que podrían llevar finalmente a estas bestias cautivadoras de la esfera de la especulación al reino de la realidad.

De MACHOs y WIMPs

Los agujeros negros ordinarios surgen de la muerte. Cuando una gran estrella llega al final de su vida, explota en una espectacular supernova. El pesado núcleo de la estrella, que puede pesar al menos varias veces la masa del Sol, se colapsa hasta formar un objeto compacto tan denso que ni siquiera la luz puede escapar a su atracción gravitatoria. Ha nacido un agujero negro.

En los años setenta, el brillante físico Stephen Hawking y su estudiante de doctorado Bernard Carr propusieron otra posible vía de creación para los agujeros negros. Se sabía que, poco después del big bang, el universo estaba lleno de una espesa sopa de radiación y partículas fundamentales como los quarks y los gluones, los componentes básicos de los protones y los neutrones. Las variaciones naturales de densidad en la sopa habrían dejado algunas regiones con más material y otras con menos. Las ecuaciones de Hawking y Carr demostraron que las zonas con suficiente radiación y partículas empaquetadas en ellas podrían haber colapsado sobre sí mismas y formado agujeros negros con una amplia gama de tamaños posibles.

Esta idea se archivó, pero se desempolvó en los años noventa, cuando el debate sobre lo que podría constituir la materia oscura empezó a calentarse. La enigmática sustancia se ha visto tirando gravitatoriamente de las estrellas y galaxias y haciéndolas girar mucho más rápido de lo esperado. Las observaciones sugieren que esta materia oscura invisible es tan omnipresente que supera en más de cinco a uno a la materia que podemos ver en el cosmos.

Un bando se inclinó por la explicación de que la materia oscura estaba formada por objetos compactos, incluidos los agujeros negros —con una gran cantidad de agujeros negros primordiales desde el principio de los tiempos para ayudar a explicar la extensa cantidad de materia oscura— a los que se les dio el acrónimo de Objetos Compactos de Halo Astrofísico Masivo (MACHO, por sus siglas en inglés). Los científicos rivales preferían la perspectiva conocida como Partículas Masivas Débilmente Interactivas (WIMP, por sus siglas en inglés), partículas subatómicas hasta ahora no detectadas que podrían ejercer una atracción gravitatoria permaneciendo invisibles.

Según las leyes de la física, los MACHOs deformarían el espacio-tiempo a su alrededor, formando regiones parecidas a lentes que crearían distorsiones observables. Cuando la luz de las estrellas lejanas atraviesa estos lentes, los telescopios terrestres deberían ver cómo las estrellas se iluminan brevemente. Sin embargo, cuando los astrónomos buscaron esos destellos, encontraron pocos casos que pudieran atribuirse a los MACHOs, lo que llevó a la mayoría de los físicos a centrarse en la idea de que la materia oscura está formada por las WIMPs.

Pero algunos investigadores nunca perdieron del todo la esperanza de que los agujeros negros tuvieran algún papel en la materia oscura. Entre ellos se encuentra Carr, ahora en la Universidad Queen Mary de Londres, en el Reino Unido, coautor de un reciente artículo sobre los agujeros negros primordiales en la revista Annual Review of Nuclear and Particle Science. “Los agujeros negros primordiales son los candidatos ideales”, afirma. “Sí sabemos que los agujeros negros existen. No estamos invocando alguna partícula de la que actualmente no tenemos pruebas”. 

Ruidos misteriosos en la noche

Durante las décadas transcurridas, la búsqueda de las WIMPs hasta ahora no ha dado resultados, aunque no por falta de intentos. Enormes detectores dedicados a descubrir su existencia no han visto nada. Y el potente acelerador de partículas Gran Colisionador de Hadrones, cerca de Ginebra, no ha encontrado ningún indicio de nuevas entidades subatómicas inesperadas. En consecuencia, algunos investigadores ya se habían alejado de la idea de las WIMPs cuando se detectaron las nuevas señales de LIGO, lo que desató los rumores y volvió a centrar la atención en los agujeros negros MACHOs.

Se confirmó que las señales detectadas por LIGO en 2015 eran chirridos procedentes de una enorme colisión entre dos agujeros negros, cada uno de los cuales pesaba unas 30 masas solares. Los objetos eran extrañamente voluminosos —tan grandes que si se hubieran creado por el colapso de estrellas, estas habrían tenido masas de hasta 100 veces la de nuestro Sol—. Estas bestias deberían ser bastante raras en el universo, dice Kovetz,  por lo que, o bien LIGO tuvo suerte con su primera detección y detectó un evento muy inusual, o bien hay más agujeros negros gigantes de los que los físicos esperarían si el colapso de estrellas fuera su único origen. Tras el anuncio del hallazgo al año siguiente, tres equipos diferentes propusieron que estos objetos no habían nacido de las estrellas, sino en los albores del tiempo, antes de que estas existieran.

“Cuando escribí este artículo... esperaba que alguien diera alguna razón por la que definitivamente no podía ser cierto”, dice Simeon Bird, cosmólogo de la Universidad de California en Riverside, cuyo artículo, escrito en coautoría con Kovetz y otros, fue el primero en salir a la luz. En cambio, LIGO siguió captando señales adicionales de otros agujeros negros en este rango de masas inmensas, lo que desencadenó una excitante actividad entre los físicos teóricos que aún no ha disminuido.

Las nuevas señales llegan en un momento en el que nuestra comprensión de las condiciones abrasadoras inmediatamente después del big bang —cuando se habrían formado los agujeros negros primordiales— ha mejorado enormemente gracias a los nuevos modelos teóricos. Un estudio reciente de Carr y otros sugiere que, aproximadamente una millonésima de segundo después del big bang, la expansión del espacio-tiempo habría provocado un descenso de la temperatura y la presión que podría haberse alineado de forma adecuada para producir agujeros negros relativamente pequeños con masas similares a la del Sol. Poco después, las condiciones cambiaron para favorecer la aparición de agujeros negros de gran tamaño, con unas 30 masas solares. 

Los modelos también sugieren que, a lo largo de la historia cósmica, estos diversos agujeros negros primordiales podrían haberse encontrado entre sí. Atraídos por la gravedad, los agujeros negros podrían haber formado cúmulos, con múltiples objetos más pequeños girando alrededor de un agujero negro gigante central, de forma parecida a como los electrones suelen orbitar alrededor de un núcleo atómico. 

Esto podría explicar por qué los cazadores de MACHOs de los años noventa nunca vieron suficientes objetos para dar cuenta de la materia oscura: solo buscaban lentes gravitacionales creados por los tipos de agujeros negros más pequeños. Los lentes de los objetos más pequeños serían más compactos y, al flotar por la galaxia, tardarían menos de un año en pasar por delante de las estrellas, lo que haría que su luz se iluminara y luego se atenuara con relativa rapidez. Si los agujeros negros se encontraran en cúmulos, la deformación gravitatoria del espacio-tiempo, mucho mayor, tardaría más tiempo en pasar por delante de una estrella lejana —varios años o incluso décadas —.

Búsqueda de galaxias

Alrededor de 15 segundos después del big bang, podría haber surgido otro tipo de agujero negro. Según los cálculos actuales, estos agujeros negros pesarían un millón de veces la masa del Sol, lo suficientemente grandes como para explicar potencialmente el origen de las galaxias.

Los telescopios han detectado galaxias bastante desarrolladas a grandes distancias, lo que significa que se formaron bastante pronto en la historia cósmica. Resulta desconcertante, ya que las galaxias son estructuras enormes y, al menos en las simulaciones computacionales, tardan mucho tiempo en formarse a partir de los lentos y pesados remolinos de gas y polvo que se encuentran en todo el cosmos. Pero esta es la mejor explicación de su formación que los astrónomos han encontrado hasta ahora.

Los agujeros negros primordiales pueden proporcionar una ruta más fácil. Dado que casi todas las galaxias contienen un enorme agujero negro en el centro, parece posible que estos goliats gravitacionales actuaran como puntos de partida, ayudando a atraer material hacia las primeras protogalaxias en una etapa bastante temprana de la historia cósmica. A medida que el universo avanzaba, estas pequeñas galaxias se habrían atraído gravitatoriamente unas a otras, para luego chocar y fusionarse en las galaxias mucho más grandes que se ven hoy en día.

Carr y sus colegas han empezado a considerar la posibilidad de que los agujeros negros primordiales estén mucho más extendidos de lo que se sospecha. En teoría, las condiciones que se dieron poco después del big bang podrían haber producido agujeros negros aún más pequeños, a escala planetaria, con masas aproximadamente 10 veces superiores a la de la Tierra. De hecho, los estudios han detectado diminutos lentes gravitacionales flotando por toda la galaxia, que pasan por delante de las estrellas y hacen que su luz parpadee rápidamente. La mayoría de los astrofísicos han atribuido estos lentes a grandes planetas errantes que fueron expulsados de sus sistemas estelares. Pero no todos están de acuerdo.

Entre ellos se encuentra el físico teórico Juan García-Bellido, de la Universidad Autónoma de Madrid, que afirma que los lentes están causados por agujeros negros primordiales. García-Bellido, coautor del reciente artículo de Carr, sigue entusiasmado con la idea de los agujeros negros primordiales.

Pero otros no están seguros de que los agujeros negros sean tan frecuentes como deberían serlo para explicar la materia oscura. “Creo que es poco probable”, afirma la cosmóloga Anne Green, de la Universidad de Nottingham, en el Reino Unido. Uno de los problemas de la teoría es que la existencia de un gran número de agujeros negros de masa multisolar en todo el cosmos tendría todo tipo de efectos visibles que nunca se han visto. Como estos objetos consumen gas y polvo, deberían emitir grandes cantidades de ondas de radio y rayos X que podrían delatar su presencia, añade.

En cuanto a la materia oscura, los modelos teóricos del universo primitivo también requieren muchos ajustes para que arrojen el número correcto de agujeros negros que coincidan con la cantidad de materia oscura que sabemos que existe. “Resulta bastante difícil elaborar modelos que produzcan la cantidad correcta de agujeros negros”, afirma Green.

Incluso algunos de los mayores fanáticos de los agujeros negros primordiales ya no son tan optimistas sobre la posibilidad de que los tipos de agujeros negros detectados por LIGO puedan dar cuenta de toda la materia oscura del universo. Si muchos de esos agujeros negros estuvieran al acecho en el espacio, los astrónomos ya habrían visto más de sus efectos, dice Kovetz. Él sigue pensando que pueden contribuir algo y, en general, que incluir más tamaños de agujeros negros primordiales más allá de lo que LIGO ha detectado podría sumar lo suficiente para explicar la materia oscura. Y, sin embargo, “personalmente, he perdido parte de mi motivación”.

La buena noticia es que los nuevos instrumentos podrían ayudar a los físicos a llegar al fondo de la cuestión muy pronto. LIGO y Virgo están siendo actualizados y ahora se les ha unido un detector de ondas gravitacionales japonés llamado KAGRA. En los próximos años también se pondrá en marcha un instrumento indio.

Las observaciones de estas instalaciones podrían finalmente inclinar la balanza hacia un lado u otro. Si los observatorios detectan un pequeño agujero negro de una masa solar o menos —algo imposible de crear a partir de la evolución estelar—, proporcionaría una prueba emocionante y definitiva de al menos un tipo de agujero negro primordial, lo que los convertiría en una explicación mucho más atractiva para la materia oscura y la formación de galaxias.

Además de buscar agujeros negros muy pequeños, los científicos también podrían sellar el acuerdo encontrando agujeros negros que se formaron incluso antes de que existieran las estrellas. Esto puede estar más allá de la capacidad de los observatorios existentes, pero la Agencia Espacial Europea está planeando lanzar en la próxima década una nueva sonda espacial altamente sensible llamada Antena Espacial de Interferometría Láser (LISA, por sus siglas en inglés), que podría estar a la altura.

García-Bellido y otros están planeando utilizar otro nuevo instrumento que está previsto que comience a funcionar en 2023, el Observatorio Vera C. Rubin de Chile, para buscar estrellas que brillen en escalas de tiempo de varios años, lo que podría ser una prueba de la existencia de cúmulos de agujeros negros a la deriva en los cielos. Al menos unos pocos investigadores esperan que, dentro de tres o cuatro años, puedan tener por fin una respuesta real y definitiva sobre si los agujeros negros primordiales existen o no.

Hasta entonces, los científicos estarán al borde de sus asientos, tratando de mantener la mente abierta sobre la materia oscura. Quizás la misteriosa sustancia resulte estar hecha de muchas cosas, incluyendo tanto partículas exóticas como agujeros negros. “El universo es desordenado y tiene un montón de cosas”, dice Bird. “Creo que al universo le gusta ponerle las cosas difíciles a los físicos”.

Artículo traducido por Debbie Ponchner

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