La evidencia de los agujeros negros primordiales podría estar oculta en rocas, cristales y metales de la Tierra
Un estudio teórico sugiere que los pequeños agujeros negros que nacieron en el universo primitivo podrían haber dejado planetoides huecos y microtúneles tras de sí en materiales incluso de nuestro planeta.
Por Enrique Coperías
Una ilustración de pequeños agujeros negros primordiales. En realidad, estos diminutos objetos tendrían dificultades para formar los discos de acreción que los hacen visibles aquí. Crédito: NASA
Piensa en la formación de un agujero negro: probablemente te evoque la imagen de una estrella masiva que agota su combustible y colapsa sobre sí misma en un acto de violencia inconmensurable. Pero, ¿y si las condiciones caóticas del universo primigenio hubieran permitido la formación de pequeños agujeros negros mucho antes de que nacieran las primeras estrellas?
Estos enigmáticos agujeros negros primordiales han sido objeto de intensas teorías por parte de los físicos durante décadas. Algunos científicos incluso sugieren que podrían constituir la escurridiza materia oscura, esa sustancia invisible que representa el 85% de la masa total del cosmos.
A pesar de su intrigante potencial, hasta ahora ningún agujero negro primordial ha sido observado directamente.
Desde plenetoides huecos hasta microtúneles
Ahora, una nueva investigación codirigida por la Universidad de Búfalo, en Estados Unidos, propone pensar a lo grande y a lo pequeño para confirmar su existencia, y sugiere que las firmas de dichos agujeros negros primordiales podrían ser desde muy grandes, como planetoides huecos que vagan en el espacio, hasta diminutas, caso de túneles microscópicos en materiales cotidianos que se encuentran en la Tierra, como rocas, metal y vidrio.
El estudio teórico, que aparece publicado en la revista Physics of the Dark Universe, postula que un agujero negro primordial atrapado en un gran objeto rocoso del cosmos consumiría su núcleo líquido y lo dejaría hueco. Alternativamente, un agujero negro primordial más rápido podría dejar tras de sí túneles rectos lo bastante grandes en los materiales sólidos como para ser visibles con la ayuda de un microscopio. Y entre estos materiales se cuentan los terrestres.
“Las posibilidades de encontrar estas firmas [de los agujeros negros primordiales] son pequeñas, pero buscarlas no requeriría muchos recursos y la recompensa potencial, la primera evidencia de un agujero negro primordial, sería inmensa.”
Según Stojkovic, «tenemos que pensar fuera de la caja, porque lo que se ha hecho anteriormente para encontrar agujeros negros primordiales no ha funcionado».
El estudio calculó el tamaño que podría tener un planetoide hueco sin colapsarse sobre sí mismo, y la probabilidad de que un agujero negro primordial atraviese un objeto en la Tierra; y ese objeto podría ser cualquiera de nosotros, aunque no hay motivo por el que preocuparse, ya que no sería mortal.
«Debido a estas largas probabilidades, nos hemos centrado en marcas sólidas que han existido durante miles, millones o incluso miles de millones de años», afirma el coautor del trabajo De-Chang Dai, de la Universidad Nacional Dong Hwa, en Taiwán, y la Universidad Case Western Reserve, en Estados Unidos.
La masa de una montaña compactada en un área del tamaño de un átomo
Cuando el universo se expandió rápidamente tras el big bang, es posible que algunas zonas del espacio fueran más densas que su entorno, lo que provocó su colapso y la formación de agujeros negros primordiales. Estos tendrían mucha menos masa que los agujeros negros estelares formados posteriormente por estrellas moribundas, pero seguirían siendo extremadamente densos, como la masa de una montaña compactada en un área del tamaño de un átomo.
Stojkovic, que ya había propuesto anteriormente dónde encontrar agujeros de gusano teóricos, se preguntó si un agujero negro primordial podría haberse quedado atrapado en alguna ocasión dentro de un planeta, una luna o un asteroide durante o después de su formación.
«Si el objeto tiene un núcleo central líquido, entonces un agujero negro primordial capturado puede absorber el núcleo líquido, cuya densidad es mayor que la densidad de la capa sólida exterior», afirma Stojkovic. En este caso, el agujero negro primordial podría escapar del objeto, si este recibiera, por ejemplo, el impacto de un asteroide. Detrás quedaría solo una cáscara hueca.
Los objetos huecos han de ser más pequeños que la décima parte del tamaño de la Tierra
Pero ¿tendría esa cáscara la fuerza suficiente para sostenerse a sí misma o, por el contrario, se derrumbaría bajo su propia tensión? Comparando la resistencia de materiales naturales, como el granito y el hierro, con la tensión superficial y la densidad de la superficie, los investigadores calcularon que un objeto hueco de este tipo no podría tener más de una décima parte del radio de la Tierra, por lo que es más probable que se trate de un planeta menor que de un planeta propiamente dicho.
«Si es más grande, se colapsará», afirma Stojkovic. Estos objetos huecos podrían detectarse con telescopios. La masa, y por tanto la densidad, pueden determinarse estudiando la órbita de un objeto. «Si la densidad del objeto es demasiado baja para su tamaño, es un buen indicio de que es hueco», según Stojkovic.
Los objetos cotidianos podrían ser detectores de agujeros negros
En el caso de los objetos sin núcleo líquido, los agujeros negros primordiales podrían simplemente atravesarlos y dejar tras de sí un túnel recto, propone el estudio. Por ejemplo, un agujero negro primordial con una masa de 10 elevado a 22 gramos, es decir, un 10 seguido de 22 ceros, dejaría tras de sí un túnel de 0,1 micras de grosor.
Un gran trozo de metal u otro material podría servir como detector eficaz de agujeros negros, si se vigilara la aparición repentina de estos túneles, pero Stojovic afirma que se tendrían más probabilidades buscando túneles existentes en materiales muy antiguos, desde edificios con cientos de años hasta rocas de hace miles de millones de años.
Aun así, incluso suponiendo que la materia oscura esté formada por agujeros negros primordiales, Stojovic y sus colegas calcularon que la probabilidad de que un agujero negro primordial atraviese una roca de hace 1.000 millones de años es de 0,000001.
«Hay que ver el coste frente al beneficio. ¿Cuesta mucho hacer esto? No, no lo es», afirma Stojkovic.
Podríamos ser atravesados por un agujero negro primodial
Así que la probabilidad de que un agujero negro procedente del universo primitivo pase a través de ti a lo largo de tu vida es, como mínimo, pequeña. Y aunque lo hiciera, probablemente no lo notaría.
A diferencia de una roca, el tejido humano tiene poca tensión, por lo que un agujero negro primordial no lo desgarraría. Y aunque la energía cinética de un objeto de este tipo puede ser enorme, no puede liberar gran parte de ella durante una colisión, porque se mueve muy rápido.
«Si un proyectil se desplaza por un medio a una velocidad superior a la del sonido, la estructura molecular del medio no tiene tiempo de responder —explica Stojkovic. Y añade—: Si se lanza una piedra a través de una ventana, lo más probable es que se haga añicos. Si disparas a una ventana con una pistola, lo más probable es que solo deje un agujero».
Se necesitan nuevos marcos teóricos
Estudios teóricos como este son cruciales, según Stojkovic, que apunta que muchos conceptos físicos que antes parecían inverosímiles ahora se consideran probables. Este campo de la ciencia, añade Stojkovic, se enfrenta actualmente a algunos problemas graves, entre ellos la materia oscura. Sus últimas grandes revoluciones, como la mecánica cuántica y la relatividad general, tienen un siglo de antigüedad.
«Las personas más inteligentes del planeta llevan ochenta años trabajando en estos problemas y aún no los han resuelto —afirma Stojkovic. Y concluye—: No necesitamos una simple extensión de los modelos existentes. Tal vez necesitemos un marco completamente nuevo». ▪️
Información facilitada por la Universidad de Búfalo
Fuente: De-Chang Dai, Dejan Stojkovic. Searching for small primordial black holes in planets, asteroids and here on Earth. Physics of the Dark Universe (2024). DOI: https://doi.org/10.1016/j.dark.2024.101662
