Un estudio relaciona los agujeros negros con la misteriosa energía oscura
El Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura de Arizona ayuda a los cosmólogos a explorar el big bang «de delante atrás» para entender la naturaleza de la energía oscura.
Por Enrique Coperías
La imagen del protocúmulo de formación estelar PHz G191.24+62.04, capturada por la JWST NIRCam, revela galaxias primitivas de hace 11.000 millones de años, durante un período de intensa formación estelar. Estas galaxias están generando agujeros negros, lo que se relaciona con la teoría de la conversión de materia en energía oscura. La imagen muestra dos módulos de NIRCam, uno enfocado en el protocluster y el otro en un campo adyacente; ambos contienen miles de galaxias. Crédito: ASA, ESA, CSA, Maria Polletta (INAF), Hervé Dole (Paris), Brenda Frye (UofA), Jordan C. J. D'Silva (UWA), Anton M. Koekemoer (STScI), Jake Summers (ASU), Rogier Windhorst (ASU)
Hace casi 14.000 millones de años, al comienzo mismo del big bang, una energía misteriosa impulsó una expansión exponencial del universo naciente y produjo toda la materia conocida, según la teoría inflacionaria del universo predominante.
Esa antigua energía compartía características clave con la energía oscura del universo actual, que es el mayor misterio de nuestro tiempo, según al menos un criterio objetivo:constituye la mayor parte —aproximadamente el 70%— del cosmos, pero los científicos no saben exactamente qué es.
«Si nos hacemos la siguiente pregunta: ¿En qué parte del universo tardío vemos la gravedad tan fuerte como al principio del universo?, la respuesta es en el centro de los agujeros negros», afirma Gregory Tarlé, profesor de Física de la Universidad de Míchigan, en Estados Unidos y coautor del estudio. Y añade—: Es posible que lo que ocurrió durante la inflación ocurra a la inversa: la materia de una estrella masiva vuelve a convertirse en energía oscura durante el colapso gravitatorio, como un pequeño big bang interpretado a la inversa».
Recordemos que agujero negro es una región del espacio donde la gravedad es tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de ella. Se forma cuando una estrella masiva agota su combustible y colapsa bajo su propia gravedad.
La primera imagen de un agujero negro se tomó utilizando observaciones del centro de la galaxia M87 tomadas por el Telescopio del Horizonte de Sucesos (Event Horizon Telescope). La imagen muestra un anillo brillante formado a medida que la luz se dobla en la intensa gravedad alrededor de un agujero negro de 6.500 millones de veces la masa del Sol. Crédito: Event Horizon Telescope Collaboration
Los agujeros negros se caracterizan por su singularidad, donde la densidad se vuelve infinita, y un horizonte de eventos, que es el límite más allá del cual nada puede regresar. Existen diferentes tipos de agujeros negros, como los agujeros negros estelares, supermasivos y de masa intermedia. Su estudio es fundamental para entender la física del espacio-tiempo y la naturaleza del universo.
5.000 ojos robóticos para entender la naturaleza de la energía oscura
En un nuevo estudio publicado en el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Tarlé y colegas de cinco instituciones refuerzan los argumentos a favor de este escenario con datos recientes del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI, por sus siglas en ingés). Este espectógrafo está formado por 5.000 ojos robóticos montados en el telescopio Mayall del Observatorio Nacional de Kitt Peak, en tierras de la Nación Tohono O'odham (Estados Unidos).
DESI tiene como objetivo mapear la distribución de galaxias y cúmulos de galaxias en el universo para entender mejor la naturaleza de la energía oscura y su impacto en la expansión del universo.
“Si los agujeros negros contienen energía oscura, pueden acoplarse al universo en expansión y crecer con él, y hacer que su crecimiento se acelere. No podemos conocer los detalles de cómo ocurre esto, pero podemos ver pruebas de que está ocurriendo”
Los datos del primer año del estudio quinquenal previsto por DESI muestran indicios tentadores de que la densidad de la energía oscura aumentó con el tiempo. Esto proporciona una pista convincente que apoya esta idea de lo que es la energía oscura, según los investigadores, porque ese incremento temporal coincide con la forma en que la cantidad y la masa de los agujeros negros aumentaron en el tiempo.
«Cuando me involucré por primera vez en el proyecto, era muy escéptico», dice en una nota de prensa de la Universidad de Míchigan el coautor Steve Ahlen, profesor emérito de Física en la Universidad de Boston. Y añade—: Pero mantuve la mente abierta durante todo el proceso y, cuando empezamos a hacer los cálculos cosmológicos, me dije: 'Bueno, este es un mecanismo realmente bonito para fabricar energía oscura'».
Para buscar indicios de energía oscura procedente de agujeros negros, el equipo utilizó decenas de millones de galaxias lejanas medidas por DESI. Este instrumento observa miles de millones de años en el pasado, y recoge datos que pueden utilizarse para determinar la velocidad de expansión del universo con una precisión exquisita. A su vez, estos datos sirven para inferir cómo está cambiando la cantidad de energía oscura en el tiempo.
La fuente de la energía oscura
El equipo comparó esta información con el número de agujeros negros que se formaban en la muerte de grandes estrellas a lo largo de la historia del universo.
«Los dos fenómenos eran coherentes entre sí: a medida que se creaban nuevos agujeros negros en la muerte de estrellas masivas, la cantidad de energía oscura en el universo aumentaba en la forma correcta —explica Duncan Farrah, profesor asociado de Física en la Universidad de Hawái y coautor del estudio. Y añade—: Esto hace más plausible que los agujeros negros sean la fuente de la energía oscura».
Evolución espacio-temporal del universo. Crédito: NASA, Ryan Kaldari
Esta investigación complementa una creciente literatura que estudia la posibilidad de acoplamiento cosmológico en agujeros negros. Un estudio de 2023, en el que participaron muchos de los autores de este artículo, informó del acoplamiento cosmológico en agujeros negros supermasivos situados en centros galácticos. El informe de aquel año animó a otros equipos a buscar el efecto en agujeros negros de todos los lugares del universo en los que pueden encontrarse.
«Esos trabajos investigan el vínculo entre la energía oscura y los agujeros negros por su velocidad de crecimiento. Nuestro nuevo trabajo relaciona los agujeros negros con la energía oscura por el momento en que nacen», afirma Brian Cartwright, astrofísico, coautor y ex consejero general de la Comisión de Bolsa y Valores estadounidense.
Una diferencia clave del nuevo trabajo es que la mayoría de los agujeros negros en cuestión son más jóvenes que los examinados anteriormente. Estos agujeros negros nacieron en una época en la que la formación estelar —que rastrea la formación de los agujeros negros— estaba muy avanzada, en lugar de estar empezando.
El dónde y el cómo
«Esto ocurre mucho más tarde en el universo, y viene abalado por mediciones recientes de la producción y el crecimiento de agujeros negros observados con los telescopios espaciales Hubble y James Webb», dice el coautor del trabajo Rogier Windhorst, científico del telescopio espacial James Webb y profesor de Exploración Terrestre y Espacial en la Universidad Estatal de Arizona.
En palabras de Croker, «la siguiente pregunta es dónde están estos agujeros negros y cómo se han estado moviendo durante los últimos 8.000 millones de años. Los científicos están trabajando ahora mismo para delimitar esta cuestión».
La ciencia exige más vías de investigación y observación, y ahora que el DESI está en línea, esta exploración de la energía oscura no ha hecho más que empezar.
Una cuestión experimental
«Esto solo aportará más profundidad y claridad a nuestra comprensión de la energía oscura, tanto si sigue apoyando la hipótesis de los agujeros negros como si no —afirma Ahlen. Y continúa—: Creo que como esfuerzo experimental es maravilloso. Puedes tener nociones preconcebidas o no, pero nos guían los datos y las observaciones».
Independientemente de lo que aporten esas observaciones futuras, el trabajo que se está realizando ahora representa un cambio radical en la investigación de la energía oscura, afirma el equipo.
«Fundamentalmente, si los agujeros negros son energía oscura, unida al universo que habitan, ha dejado de ser solo una cuestión teórica —comenta Tarlé. Y concluye—: Ahora es una cuestión experimental». ▪️
Información facilitada por la Universidad de Míchigan
Fuente: Kevin S. Croker et al. DESI dark energy time evolution is recovered by cosmologically coupled black holes. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2024). DOI: 10.1088/1475-7516/2024/10/094
