Agujeros negros tan antiguos como el mismo universo: los primordiales

Hace mucho, mucho tiempo, cuando la Tierra ni siquiera se hab¨ªa formado, dos agujeros negros chocaron entre s¨ª. Esa colisi¨®n dej¨® una huella que miles de millones de a?os despu¨¦s pudimos medir. El fen¨®meno podr¨ªa haber pasado desapercibido completamente si hubiese ocurrido tan solo una decena de a?os antes, un tiempo insignificante en la escala de tiempo de la que estamos hablando. Pero ocurri¨® que la deformaci¨®n del espacio-tiempo que gener¨® ese evento catastr¨®fico pasaba por la Tierra cuando LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ya estaba preparado para poder tomar cuenta de ello. Hablamos del a?o 2016 y fue la primera detecci¨®n de ondas gravitatorias.

Si todo esto no es de por s¨ª ya sorprendente, veamos un poco m¨¢s. Como ocurre a menudo en ciencia, este nuevo descubrimiento vino a sacudir un poco lo que ya sab¨ªamos. Los agujeros negros resultaron tener masas peculiares, de entre 30 y 35 veces la masa del Sol. Como estos monstruos gravitatorios son m¨¢s grandes de lo que se esperaba se sugiri¨® que representaban una clase especial y novedosa. Y se abri¨® una posibilidad fascinante: que se hubiesen formado cuando el universo ten¨ªa menos de un segundo. S¨ª, he dicho un segundo. Como en un segundo al universo no le hab¨ªa dado tiempo a formar estrellas, estamos hablando de agujeros negros primordiales y aunque no exista ninguna evidencia de que existan, llevan en la brecha m¨¢s de 50 a?os, entre otras cosas porque ser¨ªan los ¨²nicos que se pueden formar con masas tan peque?as como para poder evaporarse en la edad del universo.

Los agujeros negros primordiales abren una serie de avenidas fascinantes en f¨ªsica. Poco despu¨¦s del Big Bang, en el universo temprano, las condiciones de presi¨®n y temperatura eran tan extremas que en principio cualquier pedazo del universo en un instante determinado podr¨ªa implosionar consigo mismo para formar agujeros negros de cualquier tama?o. El aumento de la densidad de energ¨ªa juega aqu¨ª un papel fundamental e implica que se puedan formar en un periodo extendido y producir en un enorme rango de masas. Los que se forman en el tiempo de Planck (el cron¨®n, el tiempo m¨¢s peque?o que se puede medir) tendr¨ªan la masa de Planck (unas 10 veces la masa del Archegozetes longisetosus, un ¨¢caro tropical), mientras que los que se forman un segundo despu¨¦s del Big Bang podr¨ªan tener casi la masa de los monstruosos agujeros negros que habitan el centro de la mayor parte de las galaxias (cientos de miles de veces la masa del Sol).

El cosmos ha perdido la capacidad, si alguna vez la tuvo, de generar agujeros negros de esta forma. Los que se forman ahora nunca pueden ser m¨¢s peque?os que la masa de nuestro Sol. En nuestro Universo local, eso quiere decir ahora, para hacer un agujero negro primero hay que hacer una estrella con masa al menos diez veces la masa del Sol y esperar unos millones de a?os. Es entonces cuando sus capas externas se vierten al medio interestelar en una explosi¨®n de supernova mientras que su n¨²cleo implosiona, ya que no puede detener por reacciones nucleares aquello con lo que lleva toda la vida luchando: la gravedad. En estos objetos la masa del agujero negro depende de la masa de la estrella que la crea y en estrellas binarias de rayos-X los agujeros negros que se detectan tienen masas entre 2-15 veces la masa del Sol.

El primer descubrimiento de LIGO implicaba que si los agujeros negros se hab¨ªan formado por el colapso de las estrellas como acabamos de describir, estas ten¨ªan que haber empezado con al menos 100 veces la masa del Sol. Esas son estrellas muy grandes y en el universo local hay muy pocas. Pero hace mucho, cuando todav¨ªa no hab¨ªa muchos ingredientes para enfriar la materia y estaba colapsando en las primeras estrellas, es posible y de hecho se espera que se formasen estructuras mucho m¨¢s grandes que las de ahora. De hecho, 2 a?os antes de su detecci¨®n se predijo la poblaci¨®n de masas de agujeros negros observada por LIGO. En una frase: las estrellas que explotaron como supernova hace mucho, mucho tiempo eran muy muy grandes. Y esta, se?oras y se?ores, es la teor¨ªa com¨²nmente aceptada para explicar las observaciones de LIGO.

Pero vamos a otra posibilidad que es la que tenemos hoy entre manos, la existencia de otro mecanismo de formaci¨®n para estas estructuras, los agujeros negros primordiales. Una de las razones por las que este tipo de agujeros negros primitivos, o primarios, lleven en la brecha tanto tiempo es que solo ellos pueden ser lo suficientemente peque?os para evaporarse por radiaci¨®n de Hawking (si, la que predijo el famoso f¨ªsico Stephen Hawking). Otra raz¨®n es que como hemos dicho antes, pueden formarse de cualquier tama?o.

Este es un concepto extra?o, el de la evaporaci¨®n de un agujero negro, cuando lo que les define es que nada puede escapar de sus fauces gravitatorias. Pues bien, eso depende, los agujeros negros solo son casi negros totalmente si son grandes. Los m¨¢s peque?os pierden energ¨ªa a partir de ese fen¨®meno que unifica la relatividad general, termodin¨¢mica y la mec¨¢nica cu¨¢ntica y que implica que ahora mismo, si se form¨® con el Big Bang de un agujero negro primordial con menos de mil millones de toneladas (que es el tama?o de un asteroide) ya no existe. Ya no queda nada, se ha, literalmente, evaporado.

Otra de las razones por las que los agujeros negros primordiales son tan fascinantes es que hay muchas teor¨ªas para generarlos: inflaci¨®n, universos en colisi¨®n, etc. La cuesti¨®n es que si se formaron en el universo primitivo se tuvieron que formar a raudales, estar¨ªamos viviendo en un universo atiborrado de ellos y ser¨ªa muy dif¨ªcil reconciliar lo que vemos a d¨ªa de hoy con su existencia. De hecho estos diminutos agujeros negros, que podr¨ªan tener el tama?o de una pelota de tenis, se han propuesto para explicar al hipot¨¦tico planeta 9. Pero todas esas posibilidades ex¨®ticas las dejamos para otra entrega.

Eva Villaver es investigadora del Centro de Astrobiolog¨ªa, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas y del Instituto Nacional de T¨¦cnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA).

Vac¨ªo C¨®smico es una secci¨®n en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista cient¨ªfico sino tambi¨¦n filos¨®fico, social y econ¨®mico. El nombre ¡°vac¨ªo c¨®smico¡± hace referencia al hecho de que el universo es y est¨¢, en su mayor parte, vac¨ªo, con menos de 1 ¨¢tomo por metro c¨²bico, a pesar de que en nuestro entorno, parad¨®jicamente, hay quintillones de ¨¢tomos por metro c¨²bico, lo que invita a una reflexi¨®n sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La secci¨®n la integran Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez, investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa; Patricia S¨¢nchez Bl¨¢zquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiolog¨ªa.

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