Mini agujeros negros 'exóticos', ¿una respuesta al misterio de la materia oscura?

En la década de 1970, los astrónomos estadounidenses Vera Rubin y W. Kent Ford confirmaron la existencia de la materia oscura observando los movimientos de las estrellas que orbitan en los bordes de las galaxias espirales, señalando que se estaban moviendo más rápido de lo que deberían si sólo dependieran de la gravedad de la materia visible de la galaxia. La única explicación para la gravedad que faltaba era que allí, junto a lo que vemos, había también una gran cantidad de materia invisible, una que mantenía unidas a las estrellas dentro de las galaxias y sin la cual las galaxias mismas no habrían podido mantenerse unidas.

Más o menos por la misma época, el físico Stephen Hawking sugirió una idea revolucionaria: la materia oscura era, en realidad, una enorme población de diminutos agujeros negros formados durante el Big Bang, regiones microscópicas de materia ultradensa que se habrían formado, ni más ni menos, que en las primeras fracciones de segundo después de la gran explosión. Regiones que después colapsaron en pequeños agujeros negros y que se dispersaron por todo el Universo, dando lugar a la materia oscura que conocemos hoy.

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La idea, hasta ahora, ha sido una más entre las distintas teorías que desde hace décadas tratan de explicar qué es la materia oscura, pero un equipo del MIT acaba de darle un gran impulso a la teoría de Hawking tras descubrir que ese proceso primordial también habría producido algunos compañeros inesperados: agujeros negros aún más pequeños y con cantidades sin precedentes de una propiedad de la física nuclear conocida como 'carga de color'.

Según los investigadores, en efecto, estos agujeros negros más pequeños y 'supercargados' habrían sido, durante un breve tiempo, un estado de materia completamente nuevo y que seguramente se evaporó apenas una fracción de segundo después de su aparición. Sin embargo, aún así esos objetos fugaces tuvieron el tiempo suficiente para influir en una transición cosmológica clave: el momento en que se formaron los primeros núcleos atómicos. Los físicos del MIT postulan que los agujeros negros cargados de color podrían haber afectado al equilibrio de los núcleos en fusión de una manera que los astrónomos serán capaces de detectar algún día. Una observación así señalaría de manera convincente que los agujeros negros primordiales son la raíz de toda la materia oscura que existe en la actualidad.

«Aunque estas criaturas exóticas y de vida corta no existen hoy en día -explica David Kaiser, profesor de Física del MIT y autor principal de un estudio recién publicado en 'Physical Review Letters'-, podrían haber afectado a la historia cósmica de maneras que aún hoy podrían ser visibles en forma de señales sutiles. Sin salir de la idea de que toda la materia oscura podría deberse a agujeros negros, esto nos ofrece nuevas cosas que buscar«.

Los agujeros negros que conocemos y detectamos hoy son producto del colapso estelar, cuando el centro de una estrella masiva se hunde sobre sí mismo para formar una región tan densa que puede doblar el espacio-tiempo de tal manera que cualquier cosa, incluso la luz, queda atrapada dentro. Estos agujeros negros 'astrofísicos' pueden tener hasta varias decenas de veces la masa del Sol. Y luego están, también, los gigantescos agujeros negros supermasivos que residen en los centros galácticos, auténticos 'monstruos' que pueden llegar a tener varias decenas de miles de millones de masas solares.

Los agujeros negros 'primordiales', sin embargo, son mucho más pequeños, y se cree que se formaron en una época que es anterior a las primeras estrellas, y puede que incluso a los primeros átomos. De hecho, antes de que el Universo hubiera siquiera empezado a 'cocinar' los elementos básicos, como el hidrógeno, los científicos creen que 'bolsas' de materia primordial ultradensa (partículas sueltas) podrían haberse acumulado y colapsado para formar agujeros negros microscópicos con masas similares a las de de un asteroide en un región tan pequeña como un átomo. La atracción gravitacional de estos pequeños objetos invisibles esparcidos por todo el Universo podría explicar toda la materia oscura que no podemos ver hoy.

Pero si ese fuera el caso, ¿A partir de qué se habrían formado estos agujeros negros primordiales? Ésa es la pregunta que asumieron Kaiser y sus colegas en su nuevo estudio.

«La gente -dice Kaiser- ha estudiado cuál sería la distribución de las masas de los agujeros negros durante esta producción del Universo temprano, pero nunca la vincularon con qué tipo de cosas habrían caído en esos agujeros negros en el momento en que se estaban formando».

Para conseguirlo, los físicos del MIT examinaron primero las teorías existentes para determinar la distribución de las masas más probables de los agujeros negros primordiales.

«Nos dimos cuenta -dice por su parte Elba Alonso-Monsalve, coautora del estudio- de que existe una correlación directa entre cuándo se forma un agujero negro primordial y con qué masa se forma. Y esa ventana de tiempo ha resultado ser absurdamente temprana».

De hecho, los investigadores calcularon que esos agujeros negros primordiales debieron haberse formado durante la primera quintillónésima de segundo después del Big Bang. Un 'destello' de tiempo que habría producido agujeros negros microscópicos 'típicos' tan masivos como un asteroide y tan pequeños como un átomo, pero también una pequeña fracción de agujeros negros exponencialmente más pequeños, con la masa de un rinoceronte y un tamaño mucho menor que el de un solo protón.

¿Y de qué estaban hechos esos agujeros negros primordiales?

Para averiguarlo, Kaiser y Alonso-Monsalve recurrieron a estudios que exploraban la composición del universo primitivo y, específicamente, a la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD), el estudio de cómo interactúan los quarks y los gluones.

Los quarks y los gluones son los componentes fundamentales de los protones y neutrones, partículas elementales que después se combinaron para forjar los núcleos atómicos de los elementos básicos de la tabla periódica. Basándose en la QCD, los físicos estimaron que inmediatamente después del Big Bang, el Universo consistía en un plasma inmensamente caliente de quarks y gluones que poco después se combinaron para empezar a producir protones y neutrones.

Pero durante la primera quintillónésima de segundo, descubrieron los investigadores, el Universo todavía era una sopa de quarks y gluones libres y sin combinar. Por lo que qualquier agujero negro que se formara en ese momento no habría tenido más remedio que 'alimentarse' de esas partículas sueltas, junto con una propiedad exótica conocida como «carga de color», un estado de carga que sólo portan los quarks y gluones que todavía no se han combinado.

«Una vez que descubrimos que estos agujeros negros se formaron en un plasma de quarks y gluones -dice Alonso-Monsalve-, lo más importante que teníamos que averiguar era: ¿cuánta carga de color está contenida en la masa de materia que terminará en un agujero negro primordial?»

Utilizando, de nuevo, la cromodinámica cuántica, los autores del estudio calcularon la distribución de la carga de color que debería haber existido en todo el plasma primitivo y caliente. Luego compararon eso con el tamaño de una región que colapsaría para formar un agujero negro en la primera quintillónésima de segundo. Y resultó que no habría mucha carga de color en la mayoría de los agujeros negros típicos de esa época, ya que se habrían formado absorbiendo una gran cantidad de regiones que tenían una mezcla de cargas, lo que en última instancia habría resultado en una carga 'neutra'.

Pero los agujeros negros más pequeños, los que sólo tenían la masa de un rinoceronte, sí que 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. Mientras que durante décadas se han planteado hipótesis sobre tales agujeros negros «extremos», hasta ahora nadie había descubierto un proceso realista mediante el cual tales rarezas pudieran haberse formado realmente en nuestro Universo.

Estos diminutos agujeros negros 'supercargados' se evaporaron muy rápidamente, aunque después del momento en que comenzaron a formarse los primeros núcleos atómicos, algo que sucedió alrededor de un segundo después del Big Bang. Tiempo más que suficiente para que esos diminutos agujeros negros extremos alteraran para siempre las condiciones de equilibrio que habrían prevalecido cuando los primeros núcleos comenzaron a formarse. Tales perturbaciones, por lo tanto, podrían haber afectado a la forma en que se formaron esos primeros núcleos. Y lo habrían hecho de maneras que algún día, dicen los científicos, podrían observarse.

«Estos objetos -concluye Alonso-Monsalve- podrían haber dejado algunas huellas de observación interesantes. Podrían haber cambiado el equilibrio entre esto y aquello, y ese es el tipo de cosas sobre las que uno puede empezar a reflexionar».