Los agujeros negros exóticos podrían ser un subproducto de la materia oscura
En la primera quintillonésima parte de un segundo, el universo podría haber generado agujeros negros microscópicos con enormes cantidades de carga nuclear, según proponen físicos del MIT.
Por Jennifer Chu / MIT News
Representación de un agujero negro primordial que se forma en medio de un mar de quarks y gluones calientes y cargados de color, una pequeña fracción de segundo después del big bang. Iustración: Kaća Bradonjić
Por cada kilogramo de materia que podemos ver, desde el ordenador de tu mesa hasta estrellas y galaxias lejana, hay 5 kilogramos de materia invisible que impregnan nuestro entorno. Esta materia oscura es una entidad misteriosa que escapa a cualquier forma de observación directa, pero que se hace sentir a través de su atracción invisible sobre los objetos visibles.
Hace cincuenta años, el físico Stephen Hawking ofreció una idea de lo que podría ser la materia oscura: una población de agujeros negros, que podrían haberse formado muy poco después del big bang. Esos agujeros negros primordiales no serían los goliats que detectamos hoy, sino regiones microscópicas de materia ultradensa que se habrían formado en la primera quintillonésima de segundo tras el big bang y que luego colapsarían y se dispersarían por el cosmos, tirando del espacio-tiempo circundante de un modo que podría explicar la materia oscura que conocemos hoy.
Ahora, físicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, en Estados UNidos, han descubierto que este proceso primordial también habría producido algunos compañeros inesperados: agujeros negros aún más pequeños con cantidades sin precedentes de una propiedad de la física nuclear conocida como carga de color.
Un estado completamente nuevo de la materia que se evaporó tan rápido como vino.
Estos agujeros negros más pequeños y supercargados habrían constituido un estado completamente nuevo de la materia, que probablemente se evaporó una fracción de segundo después de su aparición. Aun así, podrían haber influido en una transición cosmológica clave: el momento en que se forjaron los primeros núcleos atómicos.
"Aunque estas criaturas exóticas de corta vida no estén presentes hoy en día, podrían haber afectado la historia cósmica de maneras que se manifestarían como señales sutiles hoy en día— dice David Kaiser, profesor de Historia de la Ciencia y de Física en el MIT. Y añade—: Dentro de la idea de que toda la materia oscura podría explicarse mediante agujeros negros, esto nos da nuevas cosas que buscar."
Kaiser y su coautora, la estudiante graduada del MIT Elba Alonso-Monsalve, han publicado su estudio en la revista Physical Review Letters.
Un tiempo antes de las estrellas.
Los agujeros negros que conocemos y detectamos hoy en día son el producto del colapso estelar, cuando el centro de una estrella masiva se derrumba sobre sí mismo para formar una región tan densa que puede curvar el espacio-tiempo de tal manera que cualquier cosa, incluso la luz, queda atrapada en su interior. Tales agujeros negros astrofísicos pueden tener desde unas pocas veces la masa del sol hasta muchas miles de millones de veces más masivos.
En contraste, los agujeros negros primordiales pueden ser mucho más pequeños, y se cree que se formaron en un tiempo antes de las estrellas. Antes de que el universo incluso hubiera generado los elementos básicos —y mucho menos, estrellas— las bolsas de materia primordial ultradensa podrían haberse acumulado y colapsado para formar agujeros negros microscópicos, según creen los científicos de MIT. Estas bolsas habrían sido lo suficientemente densas como para comprimir la masa de un asteroide en una región tan pequeña como un solo átomo.
La atracción gravitatoria de estos objetos invisibles y diminutos dispersos por todo el cosmos explicaría toda la materia oscura que no podemos ver hoy en día. Los físicos postulan que los agujeros negros cargados de color podrían haber afectado al equilibrio de los núcleos en fusión, y lo habrían hecho de un modo que los astrónomos podrían detectar algún día con futuras mediciones. Una observación de este tipo señalaría de forma convincente a los agujeros negros primordiales como la raíz de toda la materia oscura actual.
Los agujeros negros que conocemos y detectamos hoy en día son el producto del colapso estelar. Imagen: JEREMY SCHNITTMAN/NASA’S GODDARD SPACE FLIGHT CENTER
Si así fuera, ¿de qué estarían hechos esos agujeros negros primigenios? Esa es la cuestión que Kaiser y Alonso-Monsalve abordan en su nuevo estudio. “Se ha estudiado la distribución de las masas de los agujeros negros durante la generación del universo primigenio, pero nunca se ha relacionado con el tipo de material que habría caído en esos agujeros negros en el momento de su formación”, explica Kaiser.
Los físicos del MIT analizaron primero las teorías existentes sobre la distribución probable de las masas de los agujeros negros cuando se estaban formando en el universo primitivo. “Nos dimos cuenta de que existe una correlación directa entre el momento en que se forma un agujero negro primordial y la masa con la que se genera— explica Alonso-Monsalve. Y añade—: Y esa ventana de tiempo es absurdamente temprana”.
Ella y Kaiser calcularon que los agujeros negros primigenios debieron formarse en la primera quintillonésima de segundo tras el big bang. Este destello de tiempo habría producido agujeros negros microscópicos típicos tan masivos como un asteroide y tan pequeños como un átomo. También habría producido una pequeña fracción de agujeros negros exponencialmente más pequeños, con la masa de un rinoceronte y un tamaño muy inferior al de un protón.
Los quarks y los gluones son los componentes fundamentales de los protones y los neutrones.
¿De qué estarían hechos estos agujeros negros primigenios? Para ello, recurrieron a estudios sobre la composición del universo primigenio y, en concreto, a la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD), que estudia cómo interactúan los quarks y los gluones.
Los quarks y los gluones son los componentes fundamentales de los protones y los neutrones, partículas elementales que se combinaron para formar los elementos básicos de la tabla periódica. Inmediatamente después de la gran explosión, los físicos estiman, basándose en la QCD, que el universo era un plasma inmensamente caliente de quarks y gluones que luego se enfrió rápidamente y se combinó para producir protones y neutrones.
Los investigadores descubrieron que, dentro del primer quintillonesimo de segundo, el universo aún habría sido una sopa de quarks y gluones libres que aún no se habían combinado. Cualquier agujero negro que se formara en este tiempo habría engullido las partículas no unidas, junto con una propiedad exótica conocida como carga de color, un estado de carga que solo llevan los quarks y gluones no combinados.
"Una vez que descubrimos que estos agujeros negros se forman en un plasma de quarks y gluones, lo más importante que tuvimos que averiguar fue cuánta carga de color está contenida en el cúmulo de materia que terminará en un agujero negro primordial", dice Alonso-Monsalve.
Usando la citada teoría de la cromodinámica cuántica, calcularon la distribución de la carga de color que debería haber existido en todo el plasma caliente y temprano. Luego compararon eso con el tamaño de una región que colapsaría para formar un agujero negro en el primer quintillonesimo de segundo.
Resulta que no habría habido mucha carga de color en la mayoría de los agujeros negros típicos en ese momento, ya que se habrían formado absorbiendo una gran cantidad de regiones que tenían una mezcla de cargas, que finalmente habrían sumado una carga neutral.
Imagen conceptual del origen del universos según la teoría del big bang. Los agujeros negros primigenios debieron formarse en la primera quintillonésima de segundo tras la gran explosión. Imagen generada con DALL-E
Pero los agujeros negros más pequeños habrían estado repletos de carga de color. De hecho, habrían contenido la cantidad máxima de cualquier tipo de carga permitida para un agujero negro, según las leyes fundamentales de la física. Aunque desde hace décadas se han formulado hipótesis sobre este tipo de agujeros negros extremos, hasta ahora nadie había descubierto un proceso realista por el que tales rarezas pudieran haberse formado realmente en nuestro universo.
El profesor Bernard Carr, de la Universidad Queen Mary de Londres, un experto en el tema de los agujeros negros primordiales que trabajó por primera vez en el tema con Stephen Hawking, describe el nuevo trabajo como emocionante. Carr, que no participó en el estudio, afirma que el trabajo “demuestra que existen circunstancias en las que una fracción minúscula del universo primigenio puede entrar en objetos con una enorme cantidad de carga de color (al menos durante un tiempo), exponencialmente mayor que la que se ha identificado en estudios anteriores de QCD”.
Los agujeros negros supercargados se habrían evaporado rápidamente, pero posiblemente sólo después del momento en que empezaron a formarse los primeros núcleos atómicos. Los científicos estiman que este proceso comenzó alrededor de un segundo después del big bang, lo que habría dado a los agujeros negros extremos tiempo suficiente para perturbar las condiciones de equilibrio que habrían prevalecido cuando empezaron a formarse los primeros núcleos.
Tales perturbaciones podrían afectar a la formación de los primeros núcleos, en formas que algún día podrían observarse.
“Estos objetos podrían haber dejado huellas de observación interesantes— reflexiona Alonso-Monsalve. Y concluye—: Podrían haber cambiado el equilibrio de esto frente a aquello, y ese es el tipo de cosas sobre las que uno puede empezar a preguntarse”.
Artículo publicado con el permiso de MIT News -Adaptación: Enrique Coperías / Rexmolón
Fuente: Elba Alonso-Monsalve and David I. Kaiser. Primordial Black Holes with QCD Color Charge. Physical Review Letters (2024). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.231402
