El universo puede contener millones de agujeros negros primordiales hechos de materia oscura

En poco m¨¢s de un siglo los humanos hemos pasado de pensar que los agujeros negros no existen a saber que hay millones de ellos y que tenemos uno descomunal en el centro de nuestra propia galaxia, la V¨ªa L¨¢ctea ¡ªun hallazgo que ha merecido el Nobel de F¨ªsica 2020¡ª. En el interior de estos cuerpos invisibles, donde nada que entre puede ya salir est¨¢n las respuestas a las preguntas m¨¢s importantes de la f¨ªsica actual, incluida una que vale otro Nobel: ?qu¨¦ es la materia oscura?

¡°Desde que se forma un agujero negro, es literalmente imposible saber qu¨¦ hay dentro de ¨¦l. Ni siquiera si pudieras entrar ver¨ªas de qu¨¦ est¨¢ hecho, solo captar¨ªas la curvatura del espacio-tiempo¡±, explica el f¨ªsico te¨®rico Juan Garc¨ªa-Bellido, f¨ªsico de la Universidad Aut¨®noma de Madrid.

Este investigador es el padre de una teor¨ªa formulada hace d¨¦cadas que ha cobrado nuevo inter¨¦s debido a la detecci¨®n de ondas gravitacionales producidas por la colisi¨®n de agujeros negros cuya existencia es dif¨ªcil de explicar con las leyes de evoluci¨®n estelar convencionales.

En el universo hay dos tipos de materia. La convencional, de la que est¨¢ hecho todo lo que los humanos somos y podemos ver, supone solo el 15%. El resto, el 85% de toda la materia del cosmos, es oscura. Seg¨²n la teor¨ªa de Garc¨ªa-Bellido, parte o incluso toda la materia oscura del universo est¨¢ hecha de agujeros negros primordiales.

Estos cuerpos se habr¨ªan formado una millon¨¦sima de segundo despu¨¦s del Big Bang, el estallido con el que naci¨® el universo hace 13.700 millones de a?os. Por entonces no hab¨ªa luz, ni materia tal y como la conocemos hoy, solo un plasma de gas a alt¨ªsimas temperaturas. En fracciones de segundo sucedi¨® la inflaci¨®n, una expansi¨®n violenta que hizo que dos puntos que estaban a millon¨¦simas de metro pasaran a estar a millones de millones de kil¨®metros. En aquel plasma hab¨ªa peque?as fluctuaciones cu¨¢nticas que, impulsadas por la inflaci¨®n, se convirtieron en objetos macrosc¨®picos de densidad infinita: agujeros negros primordiales. En comparaci¨®n, la materia convencional es mucho m¨¢s reciente, pues los primeros ladrillos de la materia visible, como los n¨²cleos de los primeros ¨¢tomos, se formaron entre un segundo y tres minutos despu¨¦s del Big Bang, cuando el universo era ya un lugar much¨ªsimo m¨¢s grande y fr¨ªo.

¡°Seg¨²n nuestros c¨¢lculos, solo en nuestra galaxia habr¨ªa alrededor de un mill¨®n de millones de agujeros negros primordiales¡±, explica Garc¨ªa-Bellido. ¡°En el universo hay unos dos millones de millones de galaxias, con lo que todos estos agujeros negros juntos podr¨ªan componer toda la materia oscura del universo¡±, se?ala el f¨ªsico.

Seg¨²n los c¨¢lculos de la teor¨ªa original de Garc¨ªa-Bellido, elaborada en 1996 junto con Andrei Linde y David Wands, y m¨¢s tarde desarrollada con su colega belga S¨¦bastien Clesse, de la Universidad de Lovaina, no hay forma de que la f¨ªsica estelar pueda producir una fusi¨®n de agujeros negros como la anunciada por LIGO en septiembre. En su opini¨®n, todos los agujeros negros detectados hasta ahora por LIGO pueden ser primordiales, tal y como tiene previsto explicar hoy a las 19:00 en una conferencia virtual que organiza la Fundaci¨®n Ram¨®n Areces.

¡°Pens¨¢bamos que esta teor¨ªa estaba muerta hasta que hemos empezado a ver muchos eventos de este tipo¡±, ha reconocido Rainer Weiss, uno de los padres del detector de ondas gravitacionales LIGO y ganador del Nobel de F¨ªsica en 2017, en una reciente charla. El veterano f¨ªsico explica a este diario: ¡°La idea de que los agujeros negros primordiales existen es v¨¢lida. No hace falta una estrella agonizante para formar un agujero negro, es posible que algunos se formasen al comienzo de la vida del universo por singularidades en la geometr¨ªa del espacio-tiempo. Por eso es interesante buscarlos. LIGO ha detectado muchas m¨¢s colisiones de agujeros negros que a¨²n debemos analizar en detalle¡±.

La forma convencional de producir agujeros negros es a trav¨¦s de estrellas que consumen todo su combustible, explotan y de sus escombros comprimidos se forma un agujero negro. Pero este proceso no puede formar agujeros tan masivos como los anunciados hace unas semanas, con 85 y 66 veces la masa del Sol. Como dice Garc¨ªa-Bellido y suscribe el Nobel Weiss, es posible que estos agujeros negros sean reliquias de los or¨ªgenes del universo, aunque por ahora es solo una teor¨ªa.

La explicaci¨®n puede ser mucho m¨¢s mundana, seg¨²n otros f¨ªsicos. Puede ser que simplemente nuestras teor¨ªas de evoluci¨®n estelar no son perfectas. Hay una tercera explicaci¨®n alternativa y v¨¢lida: que estos agujeros se formasen en regiones del universo conocidas como c¨²mulos globulares, esferas descomunales formadas por miles de estrellas. Muchas de ellas mueren y forman miles de agujeros negros que estar¨ªan lo suficientemente cerca como para encontrarse, atraerse, chocar y fundirse. El problema es que necesitar¨ªan m¨¢s tiempo que la edad del universo para fusionarse, seg¨²n los c¨¢lculos de Garc¨ªa-Bellido.

?C¨®mo se podr¨ªa demostrar la existencia de estos agujeros negros primordiales? ¡°La ¨²nica forma de estudiarlos desde fuera es a trav¨¦s de sus tres propiedades b¨¢sicas: carga, masa y esp¨ªn [rotaci¨®n]. En este caso los agujeros negros que LIGO est¨¢ descubriendo no tienen ni carga ni esp¨ªn, as¨ª que lo ¨²nico que nos queda es encontrar agujeros con una masa que no pueda explicarse de otra forma que la que proponemos¡±, se?ala Garc¨ªa-Bellido. La prueba irrefutable, explica, ser¨ªa la detecci¨®n de agujeros negros de menos de una masa solar, imposibles de formar por f¨ªsica estelar. Los detectores de LIGO no tienen a¨²n la sensibilidad necesaria, pero es posible que la alcancen a partir de octubre de 2021, despu¨¦s de mejoras t¨¦cnicas. M¨¢s all¨¢, habr¨¢ que esperar a detectores capaces de observar ondas gravitacionales que vienen de las primeras fracciones de segundo despu¨¦s del Big Bang, como podr¨ªa conseguir el telescopio Einstein, que comenzar¨¢ a funcionar en la d¨¦cada de 2030, o el detector espacial LISA, cuyo lanzamiento est¨¢ previsto para 2034.

Hay un ¨²ltimo detalle de esta teor¨ªa a¨²n m¨¢s cercano para todos los habitantes de la Tierra. En los confines del sistema solar, m¨¢s all¨¢ de Neptuno, los astr¨®nomos han detectado perturbaciones en las ¨®rbitas de algunos objetos que podr¨ªan deberse a la presencia de un noveno planeta con una masa unas 10 veces mayor que la de la Tierra. Seg¨²n los c¨¢lculos de formaci¨®n de agujeros negros primordiales, tras el Big Bang tambi¨¦n se crearon agujeros negros primordiales con una masa equivalente a la de planetas como Neptuno. Aunque a¨²n es otra teor¨ªa sin confirmar, es posible que el enigm¨¢tico Planeta 9 sea un agujero negro primordial.

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