Los pequeños agujeros negros del Big Bang, sospechosos de materia oscura

Cuando se trata de agujeros negros primordiales sospechosos de ser materia oscura, su coartada puede estar desmoronándose. Los pequeños agujeros negros, creados segundos después del nacimiento del universo, pueden sobrevivir más de lo esperado, reavivando la sospecha de que los agujeros negros primordiales podrían explicar la materia oscura, es decir, el material más misterioso del universo. 

La materia oscura representa actualmente uno de los problemas más acuciantes de la física. Esto se debe a que, a pesar de constituir aproximadamente el 85% de la materia del cosmos, la materia oscura sigue siendo efectivamente invisible a nuestros ojos porque no interactúa con la luz. 

Debido a que las partículas que componen los átomos que componen las cosas "cotidianas" que podemos ver, como las estrellas, los planetas y nuestros propios cuerpos, interactúan claramente con la luz, esto ha impulsado la búsqueda de partículas de materia oscura fuera del modelo estándar de física de partículas.  

Para este ‘primo diminuto’ de los objetos cósmicos que normalmente consideramos tremendamente masivos e incluso monstruosos: los agujeros negros, muchos científicos creen que la respuesta aún podría estar dentro del Modelo Estándar.

Valentin Thoss, científico del Instituto Max Planck, y Ana Fernandes Alexandre, de la Universidad de Lisboa, son dos investigadores que han participado recientemente en este tipo de estudios. Postulan que pequeños agujeros negros nacidos hace más de 13.800 millones de años, justo después del Big Bang , que no son más grandes que un protón, podrían agruparse para convertirse en sospechosos de tener materia oscura sin necesidad de nueva física.  

Un cambio reciente en la forma de pensar sobre cómo se "evaporan" los agujeros negros no sólo ha provocado una reevaluación de la viabilidad de los agujeros negros primordiales como sospechosos de materia oscura, sino que a medida que la búsqueda de una partícula de materia oscura continúa sin resultados, más investigadores podrían comenzar a investigar.  

Pero, ¿qué son los agujeros negros primordiales? 

"Como sugiere el nombre, los 'agujeros negros primordiales' son un tipo de agujero negro que se forma en el comienzo del universo", dijo Thoss a Space.com. "De hecho, dentro de la primera fracción de segundo del universo". 

Explicó que todas las estructuras que observamos en el universo, desde los supercúmulos de galaxias hasta las galaxias dentro de sí mismas, se forman a partir de ligeras sobredensidades en el espacio presentes durante el universo temprano.  

Si el universo primitivo experimentó fluctuaciones de densidad mucho más fuertes que las que crearon estas características, y estas fluctuaciones colapsaron antes de que se formaran las galaxias, entonces esas manchas excesivamente densas podrían haber estimulado los agujeros negros primordiales. 

Un diagrama que muestra la historia de expansión del universo. Los agujeros negros primordiales habrían surgido de fluctuaciones de densidad anteriores a las primeras estrellas // NASA/Equipo científico WMAP/Arte de Dana Berry 

Los agujeros negros pequeños y primordiales habían sido previamente descartados como candidatos a materia oscura porque se cree que todos los agujeros negros "filtran" un tipo de radiación térmica teorizada por primera vez por Stephen Hawking en 1974 y posteriormente denominada "radiación de Hawking".  

Cuanto más pequeño sea un agujero negro, más rápidamente debería filtrar la radiación de Hawking y, por tanto, más rápido debería evaporarse. Eso significa que, si alguna vez existieron agujeros negros primordiales, los ejemplos más pequeños no deberían existir hoy; sin embargo, la materia oscura claramente sí existe. 

Sin embargo, un trabajo reciente de Giorgi Dvali, físico teórico de la Universidad de Munich que ha colaborado con Thoss y Fernandes Alexandre, ha sugerido que el proceso de evaporación se interrumpe en cierto punto. Esto significa que los agujeros negros primordiales de las masas que los científicos consideraban podrían alcanzar un estado semiestable llamado 'carga de memoria' debido a esta memoria que ahora tiene que transmitirse a otra cosa, y eso en cierto modo ralentiza el proceso de evaporación en general.

¿Una viva imagen de la materia oscura? 

Sin embargo, el hecho de que hoy en día puedan existir agujeros negros primordiales en el universo no significa que deban considerarse sospechosos de materia oscura. Da la casualidad de que hay otras razones para vincular estos pequeños agujeros negros hipotéticos con el misterioso contenido de materia del universo. 

Quizás la conexión más obvia sea la falta de interacción de la materia oscura con la luz. La materia oscura no emite ni refleja luz, y el horizonte de sucesos que delimita todos los agujeros negros representa el punto en el que la velocidad de escape necesaria para cruzarlo supera la velocidad de la luz. Eso significa que los agujeros negros primordiales "atraparían" toda la luz incidente, lo que resultaría en una aparente falta de interacciones. 

La anatomía de un agujero negro. No importa el tamaño, todos los agujeros negros tienen horizontes de sucesos // ESO

Thoss añadió que la belleza de utilizar los agujeros negros primordiales como explicación de la materia oscura es que, a diferencia de sugerir una partícula hipotética como un axión para explicar el misterio, los agujeros negros primordiales no requieren una extensión del modelo estándar de física de partículas. la mejor explicación que tenemos del universo a escalas subatómicas. 

Aun así, será increíblemente difícil confirmar que los agujeros negros primordiales son materia oscura, si realmente explican el fenómeno. Una vez más, su naturaleza de atrapar la luz significa que son efectivamente invisibles. Además, en tamaños tan diminutos, no tienen los mismos inmensos efectos gravitacionales que sus hermanos estelares y supermasivos. Incluso entonces, si se detectara un grupo de agujeros negros primordiales, no habría una forma real de distinguir entre muchos agujeros negros pequeños y un agujero negro grande.  

A pesar de esta dificultad, Thoss y Fernandes Alexandre pretenden mantenerse en la cola de los agujeros negros primordiales, al menos en teoría. Si las partículas candidatas a la materia oscura siguen sin manifestarse, tal vez la respuesta sea lograr que más físicos comiencen a examinar la valla metafórica entre la física de partículas y la cosmología.