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El Universo comenzó como una extraña especie de sopa. Aún no se habían formado grandes galaxias, y las partículas voladoras estaban más calientes que los centros de las estrellas del Universo actual. De ellas, unas partículas diminutas conocidas como quarks se agruparon para formar los componentes básicos de los átomos: neutrones, protones y electrones. A través de un proceso llamado inflación cósmica, el Universo se expandió como un globo, alisando los grumos.
Puede que el Universo se haya expandido como un globo, alisando los grumos.
Podría ser que la materia que faltaba en el Universo -llamada materia oscura por los físicos- también se formara entonces. La materia oscura es uno de los misterios más conocidos de la astronomía. En el último siglo han aumentado las pruebas de que debe haber algo ahí fuera además de la materia que compone nuestras mesas, nuestro planeta, incluso a nosotros mismos. Un primer indicio, en la década de 1970, vino de la astrónoma Vera Rubin, que demostró que las estrellas de los bordes de las galaxias giran más deprisa de lo que cabría esperar sólo por la masa que podemos ver a través de los telescopios. Algo más pesado tenía que estar allí, ejerciendo suficiente gravedad para hacer girar las galaxias. Desde la década de 1980, los astrónomos están de acuerdo: la materia oscura debe existir para explicar esa “masa ausente” en nuestras observaciones, pero no podemos verla porque no interactúa con la luz de las formas típicas. Nuestras mejores estimaciones actuales muestran que debería haber unas cinco veces más materia oscura que materia “normal” en el Universo. De hecho, todas las cosas con las que interactuamos en nuestra vida cotidiana constituyen menos del 5 por ciento de la materia del Universo.
La materia oscura constituye el 5 por ciento de la materia del Universo.
“La materia oscura constituye el 25 por ciento del Universo y no tenemos ni idea de lo que es”, afirma Leah Jenks, física teórica y candidata al doctorado en la Universidad Brown de Rhode Island. Así que, en ese sentido, es una cuestión abierta de enorme importancia en este campo. Creo que también es un problema divertido en el que trabajar, porque hay mucho espacio para la creatividad a la hora de pensar en nuevas formas de comprender esta misteriosa materia perdida.
Hasta ahora, hemos tenido muchas ideas, pero pocas pruebas que confirmen alguna de ellas. Los físicos han dedicado gran parte de su tiempo a buscar nuevas partículas para explicar la masa desaparecida. Una de las candidatas más populares, una colección de grandes partículas llamadas WIMPs, o partículas masivas de interacción débil, ha caído recientemente en desgracia, ya que los experimentos no han sido capaces de encontrar pruebas de su existencia. A pesar de buscar con aceleradores de partículas, grandes cámaras subterráneas de detección de partículas y otros experimentos, el Universo no nos ha dado señales de que la materia oscura sea una de estas elusivas partículas. Esto ha llevado a los científicos a buscar otras partículas, extremadamente diminutas, sujetas a extraños fenómenos cuánticos (conocida como “materia oscura difusa”) o incluso cambios en las leyes fundamentales de la física tal y como las conocemos (una teoría a menudo rechazada conocida como “MOND”).
Pero ante la escasez de pruebas de cualquiera de estas ideas, ha surgido una teoría oscura. En aquellos primeros segundos del Universo, podría haber habido otro ingrediente en la sopa primordial: los agujeros negros. Estos agujeros negros del principio de los tiempos, conocidos como agujeros negros primigenios (HNP), podrían seguir merodeando hoy en día, y algunos científicos creen que podrían resolver el problema de la materia oscura.
Los agujeros negros suelen formarse a partir de la muerte de las estrellas más grandes, cuando toda la masa de una estrella colapsa en un punto extremadamente denso. Su atracción gravitatoria es tan grande que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Pero en el primer segundo del Universo aún no existían las estrellas, así que ¿cómo pudieron formarse entonces los agujeros negros? Muy fácilmente, según los cálculos, a partir de las partes más densas de la sopa cósmica. La receta básica, dice Alexander Kusenko, profesor de física de la Universidad de California en Los Ángeles, es “coger una cucharada del Universo primitivo y exprimirla un 30 por ciento”
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Kusenko y algunos otros creen que los agujeros negros primordiales son ahora el candidato más prometedor que tenemos para la materia oscura. El verdadero atractivo de los PBH es su simplicidad: a diferencia de otras opciones para la materia oscura, que exigen crear teorías para describir nuevas partículas, ya tenemos pruebas de que los agujeros negros son reales.
Pero los agujeros negros primordiales no son una idea especialmente nueva. Su historia comienza en la Rusia de los años 60, cuando dos físicos -Yakov Zeldovich e Igor Novikov- consideraron por primera vez la posibilidad de que se formaran objetos extremadamente densos como los agujeros negros en el Universo primitivo. Sus cálculos demostraron que estas regiones densas crecerían demasiado deprisa y calentarían el Universo primitivo con su fuerte radiación, lo que entraba decididamente en conflicto con las observaciones del Universo real tal y como lo conocemos.
Pero en los años 70, en el Universo primitivo, se formaron agujeros negros.
Pero en la década de 1970, el físico británico Stephen Hawking y su estudiante de posgrado Bernard Carr empezaron a investigar más a fondo. Juntos escribieron el primer documento que demostraba que los agujeros negros primordiales podrían ser una posibilidad real después de todo, encontrando una forma de evitar el problema del crecimiento desbocado. Eso fue lo que volvió a poner a los agujeros negros primordiales en el mapa, ya que no había ninguna razón para creer que no pudieran existir”, afirma Carr, ahora profesor emérito de matemáticas y astronomía en la Universidad Queen Mary de Londres.
Poco después, Hawking descubrió lo que se conoce como radiación de Hawking, que hace que los agujeros negros se evaporen lentamente. Para los agujeros negros más grandes, del tamaño de una estrella, el tiempo que tardarían en evaporarse es demasiado largo para ser perceptible, más que el tiempo que ha existido el Universo. Sin embargo, en el caso de los PBH pequeños, podríamos verlo. Un agujero negro con la masa de una montaña y el tamaño de un protón, que se formó hace miles de millones de años, cuando comenzó el Universo, debería estar mostrando el final explosivo de su vida justo ahora mismo.
Para los PBH pequeños, sin embargo, podríamos verlo.
Sdesde las teorías originales de Carr y Hawking en la década de 1970, se han propuesto muchos escenarios sobre cómo podrían formarse los agujeros negros primordiales en la primera fracción de segundo de la existencia del Universo. En esta época tan lejana, el Universo incipiente era extremadamente caliente, estaba lleno de partículas de alta energía y de luz, y se comportaba de forma totalmente distinta a la que conocemos hoy en día. La clave para crear un agujero negro primordial es hacer que una pequeña región de ese Universo primitivo caliente sea ligeramente más densa para que pueda colapsar y convertirse en un agujero negro.
Resulta que hay muchas maneras de que una parte del Universo primitivo pueda volverse extradensa. La posibilidad más sencilla es que haya grumos aquí y allá que revelen “inhomogeneidades primordiales”. Esto no es muy distinto de las fluctuaciones observadas en el fondo cósmico de microondas (CMB), la débil radiación que vemos desde los momentos en que el Universo se hizo transparente unos cientos de miles de años después del Big Bang. El CMB aparece en todas las direcciones en las que podemos apuntar con un telescopio, pero hay algunas fluctuaciones minúsculas que sólo nuestros instrumentos más precisos pueden captar. Estas fluctuaciones son esencialmente aleatorias, resultado de la naturaleza estadística de las partículas que se mueven en el Universo primitivo. Otra posibilidad es que la inflación, el proceso que expandió rápidamente el Universo primitivo justo después de que se formara, creara más fluctuaciones de densidad que luego podrían convertirse en agujeros negros.
Un modelo, en el que Carr trabaja actualmente, propone que los agujeros negros primordiales se formaron en un momento conocido como la transición QCD, una minúscula 100.000ª de segundo después del Big Bang. QCD son las siglas de cromodinámica cuántica, la rama de la física teórica que se ocupa de cómo interactúan las partículas a través de la fuerza nuclear fuerte, que une los núcleos de los átomos. Así pues, la transición QCD se produjo cuando el Universo pasó de ser una sopa de quarks y gluones -los componentes de los protones y neutrones, y el pegamento que los une- a una sopa de protones y neutrones completamente formados. En este momento único de la historia del Universo, sería más fácil fabricar PBHs. No tendrías que apretar tanto tu cucharada de Universo para conseguir que se colapsara.
Kusenko, por otra parte, está trabajando en un modelo que añade sólo un nuevo bit de física -un nuevo tipo de interacción entre partículas conocido como “fuerzas Yukawa”- para apretar la materia suficiente para formar la cantidad justa de agujeros negros primordiales que den cuenta de la materia oscura. Añadir un nuevo bit de física no es en absoluto algo sin precedentes. De hecho, ese es prácticamente el trabajo de los físicos teóricos que trabajan en este campo.
Los agujeros negros primordiales pueden introducirse en el centro de las estrellas de neutrones y devorarlas
Otros modelos se basan en algunas de las ideas más fantásticas de la física. Una teoría sugiere que las cuerdas cósmicas -fisuras en el tejido del Universo primitivo- podrían a veces enrollarse unas sobre otras para crear agujeros negros. Otra teoría propone que los “universos bebé” del multiverso podrían aparecer en nuestro propio Universo como agujeros negros primordiales. Si se produjeran todos estos fenómenos, pero en momentos ligeramente distintos durante los primeros segundos del Universo, el resultado serían agujeros negros primordiales de distintos tamaños.
Agujeros negros primordiales.
Durante décadas, un pequeño puñado de físicos han considerado estas teorías y otras centrándose en cómo afectarían al Universo primitivo si resultaran ser reales. De hecho, dado que los agujeros negros primordiales tendrían una influencia tan enorme, los físicos han ideado numerosas formas de demostrar o refutar que son reales.
Los PBH más pequeños quedan descartados inmediatamente como candidatos a materia oscura por la radiación Hawking, ya que no vivirían lo suficiente como para seguir existiendo ahora. Por otra parte, los agujeros negros del tamaño de un protón podrían sobrevivir hasta nuestros días, pero luego evaporarse explosivamente, y no vemos nada parecido, por lo que también quedan descartados. Aunque los agujeros negros primordiales no brillaran por la radiación de Hawking, emitirían luz al devorar materia, calentando la zona que los rodea. Observando la historia de la temperatura del Universo, los científicos pueden establecer otro límite para los agujeros negros primordiales.
En nuestro Universo moderno, los PBH de una galaxia podrían estar volando aleatoriamente, perturbando las órbitas de las estrellas con su gravedad y desviándolas ligeramente de su lugar de formas que podemos observar. Los científicos también han predicho que algunos PBHs se asentarán en el centro de la galaxia, como arena que cae en un embudo. La medición de la cantidad de masa en el centro de la Vía Láctea podría indicarnos la cantidad máxima de PBH que podrían estar merodeando por allí.
La mayor cantidad de PBH se encuentra en el centro de la Vía Láctea.
Pero una de las formas más espectaculares en que los agujeros negros primordiales pueden interactuar con la materia es colisionando con otros objetos del Universo, como estrellas y planetas. Los agujeros negros primordiales pueden introducirse en el centro de las estrellas de neutrones, los densos restos del núcleo de una estrella masiva muerta. Cuando por fin alcanzan el centro, devoran rápidamente toda la estrella de neutrones desde el interior, destruyéndola en un destello espectacular conocido como kilonova. Este violento acontecimiento también deja tras de sí salpicaduras de neutrones, junto con elementos pesados como el platino y el uranio. La colisión de dos estrellas de neutrones también puede dar lugar a una kilonova, aunque ello provocaría ondas gravitacionales -fluctuaciones en el tejido del espacio-tiempo-, por lo que encontrar una kilonova sin ondas gravitacionales que la acompañen podría ser una prueba de la existencia de agujeros negros primordiales.
Los agujeros negros que detectaron son más masivos de lo que cabría esperar de la desaparición de una estrella
Hay muchas posibilidades, y algunas, como la de la estrella de neutrones, son descabelladas. Pero hay dos métodos que pueden ayudarnos a atravesar la incertidumbre y encontrar pruebas más concretas de la existencia de agujeros negros primordiales. Un método sólido para rastrear un agujero negro primordial es la microlente, que se produce cuando la luz de un objeto brillante pasa junto a algo con mucha masa. El objeto masivo curva el espaciotiempo con su gravedad y, como la luz sigue el camino de menor resistencia, la luz del objeto brillante también se curva. Incluso si el objeto masivo no emite luz, como un agujero negro, puedes medir su efecto sobre cosas que sí emiten luz. Tres experimentos, conocidos como MACHO, EROS y OGLE, han realizado estudios del cielo en busca de estas lentes celestes, algunas de las cuales podrían proceder de agujeros negros primordiales. Estas observaciones han hecho que los científicos estén bastante seguros de que ciertos tamaños de PBH no existen.
El otro método para detectar agujeros negros primordiales utiliza las ondas gravitacionales que se generan cuando objetos masivos (como los agujeros negros) perturban el espaciotiempo. Menos de un año después de que el innovador Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO) encendiera sus detectores en 2015, los físicos detectaron ondas gravitacionales procedentes de dos agujeros negros -cada uno unas 30 veces mayor que nuestro Sol- que entraban en espiral y fusionándose entre sí. Desde entonces, han encontrado muchos más de estos agujeros negros fusionados, abriendo una plétora de nuevas preguntas.
Los agujeros negros que detectaron son más masivos de lo que cabría esperar de la desaparición de una estrella, lo que sorprendió un poco a los científicos. La opinión mayoritaria sigue siendo que estos agujeros negros de mayor tamaño proceden de múltiples agujeros negros comunes del tamaño de una estrella que se aglutinan con el tiempo. Pero, según Carr, varios grupos de científicos han argumentado que estos grandes agujeros negros podrían ser, en cambio, agujeros negros primigenios, que podrían formarse de forma natural con ese tamaño.
Aunque los científicos no se ponen de acuerdo sobre si las fusiones de agujeros negros cercanos proceden de estrellas o de agujeros negros primordiales, encontrar pruebas de la fusión de agujeros negros lo suficientemente lejos inclinaría la balanza hacia los agujeros negros primordiales. Dado que la luz sólo puede viajar a cierta velocidad, cuando miramos lejos en el Universo, también estamos mirando hacia atrás en el tiempo. Una estrella a cuatro años luz de distancia se ve en realidad cuatro años en el pasado, ya que ése es el tiempo que tardó en llegar hasta nosotros la luz que vemos. Las ondas gravitacionales tampoco pueden viajar más rápido que la luz, por lo que si vemos una fusión de agujeros negros tan lejana que es anterior a la formación de las estrellas, tendría que tratarse de una fusión de agujeros negros primordiales.
Hay una cosa más.
Hay otra observación que podríamos hacer con las ondas gravitacionales que sería una prueba segura de la existencia de agujeros negros primordiales: encontrar un agujero negro del tamaño del Sol. Las estrellas no podrían producir un agujero negro tan pequeño, así que tendría que ser del Universo primitivo.
Testo nos lleva de nuevo a nuestra pregunta original: si los agujeros negros primordiales existen, ¿pueden resolver el problema de la materia oscura? Las investigaciones basadas en la radiación Hawking y la microlente descartan bastantes tamaños de agujeros negros primordiales, pero no todos. Hay tres (o cuatro) masas de agujeros negros primordiales que podrían existir y concordar con las observaciones actuales, y tal vez incluso explicar el misterio de la materia oscura, según a quién preguntes.
Carr cree que podrían existir cuatro masas de agujeros negros primordiales: del tamaño de un asteroide, del tamaño de una luna (aproximadamente una décima parte de la masa de la Tierra), del tamaño del Sol y alucinantemente enormes (más de mil millones de veces la masa de nuestro Sol). Aunque los enormes agujeros negros primordiales son interesantes, y pueden explicar lo que vemos con las ondas gravitacionales, no son realmente un candidato para la materia oscura. También hay bastante controversia sobre si los del tamaño del Sol son posibles. Eso deja a los PBH del tamaño de un asteroide o una luna como la única opción bien aceptada para explicar la materia oscura.
Incluso así, bastantes científicos se muestran escépticos sobre los agujeros negros primordiales, que a veces se descartan como una idea marginal descabellada. Eso no molesta en absoluto a Kusenko. El sano escepticismo es una parte bienvenida y necesaria del discurso científico”, afirma. Así que, si el escepticismo de esta gente se basa en argumentos lógicos, me alegra oírlos.
Sin embargo, incluso él está de acuerdo en que los agujeros negros primordiales como materia oscura tienen algunos contras. Estos pequeños agujeros negros son bastante difíciles de detectar, y parece poco probable que los agujeros negros primordiales puedan constituir toda la materia oscura dadas las limitaciones actuales.
Más galaxias podrían ser una señal de que los agujeros negros primordiales estuvieron cerca, ayudándoles a empezar
¿Y si no tienen por qué ser todos de materia oscura? Una nueva idea que está ganando adeptos es que la materia oscura puede ser un conjunto de cosas distintas, todo un “sector oscuro” que apenas estamos empezando a investigar. Si sólo existe una materia oscura verdadera, entonces cualquier candidato que no pueda constituir la fracción completa de materia oscura del Universo no es satisfactorio (¡hola, PBH!) y puede descartarse totalmente”, afirma Luna Zagorac, doctoranda en Física por la Universidad de Yale, en Connecticut. ‘Pero, si puede constituir cualquier parte de esa fracción, entonces es más difícil descartar nada [WIMPs, materia oscura difusa, otros candidatos, todos podrían formar parte de la mezcla].’
Así que, incluso si la materia oscura difusa puede ser una parte de esa fracción, es más difícil descartarla.
Así que, aunque los agujeros negros primordiales no puedan explicar toda la materia oscura, sin duda tendrían efectos interesantes en el Universo desde el principio. Más allá de la formación de la materia oscura, los científicos creen que los agujeros negros primordiales gigantes podrían ayudar a explicar cómo se originaron los mayores agujeros negros del centro de las galaxias, como nuestro Sagitario A*, recientemente observado por el Telescopio Event Horizon.
Además, la mejora constante de la tecnología debería ayudarnos a investigar los agujeros negros primordiales. El telescopio Square Kilometre Array (SKA) de Sudáfrica, por ejemplo, debería ser capaz de realizar nuevas mediciones de estrellas muertas que giran rápidamente, conocidas como púlsares. Los púlsares son como faros, que emiten enormes chorros de materia que destellan sobre nosotros mientras giran, y hacen que parezca que parpadean periódicamente. Los agujeros negros primordiales que se mueven entre un púlsar y la Tierra pueden desviar esa luz y cambiar ligeramente el periodo de parpadeo del púlsar, un efecto que podemos observar.
Las nuevas observaciones con telescopios ópticos también deberían ser capaces de sondear agujeros negros primordiales más pequeños con microlentes. Kusenko y sus colaboradores, como el físico Misao Sasaki, del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo, en Japón, están buscando agujeros negros pequeños con la Hyper Suprime-Cam del telescopio Subaru, en Hawai. Cuando un pequeño agujero negro primordial pase por delante de una estrella de nuestra galaxia vecina más próxima, Andrómeda, deberían poder observar cómo la luz de la estrella se curva alrededor del PBH. El recién lanzado telescopio espacial James Webb también debería ser útil para detectar indicios de PBH, ya que se adentrará más que nunca en el pasado del Universo, abriendo por fin una ventana para observar las primeras galaxias. Si hay más galaxias o más grandes de lo esperado, podría ser una señal de que hubo agujeros negros primordiales, que ayudaron a las galaxias a iniciarse.
La mayor parte de los agujeros negros primordiales se encuentran en el Universo.
Sin embargo, la perspectiva más interesante para descubrir agujeros negros es las ondas gravitacionales. Los detectores de ondas gravitacionales podrían encontrar antiguas fusiones de agujeros negros, agujeros negros más pequeños que el Sol, o incluso firmas de cuando los agujeros negros se formaron por primera vez en la sopa primordial del primer segundo de existencia del Universo. Cuando los PBH colapsaron en los inicios del Universo, habrían agitado el espacio-tiempo, contribuyendo a un ruido difuso de ondas gravitacionales conocido como fondo estocástico de ondas gravitacionales. Nuestros detectores actuales de ondas gravitacionales están todos en la Tierra -LIGO en Estados Unidos; KAGRA en Japón; y VIRGO en Europa-, pero hay muchos más instrumentos de próxima generación en el horizonte, algunos de los cuales estarán en el espacio. Cada una de las misiones LISA, TAIJI y DECIGO es un conjunto de tres naves espaciales que orbitarán el Sol en triángulos, sondeando diferentes tipos de ondas gravitacionales de las que somos capaces de observar aquí en la Tierra. En las próximas décadas, estos nuevos detectores podrían detectar por fin una señal definitiva de agujeros negros primordiales. Si los científicos detectan estos apasionantes objetos, podríamos tener por fin una solución a, al menos, parte del misterio de la materia oscura.
‘Los PBH son tan buenos como los demás candidatos hipotéticos, si no mejores… Hay una gran variedad de candidatos a materia oscura, y se están haciendo muchos esfuerzos para detectarlos’, afirma Sasaki.
Así que cualquiera puede descubrir qué es la materia oscura en cualquier momento, quizá mañana mismo
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Carr comparte este optimismo: “Creo que lo sabremos bastante pronto.’
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Es candidata al doctorado y becaria de la NSF en la Universidad de California, Los Ángeles, y estudia astronomía y astrofísica. Su investigación se centra en cómo podemos aplicar técnicas de obtención de imágenes de alto contraste a diversos temas de la ciencia (exo)planetaria, como los discos de residuos, los objetos del sistema solar y la caracterización de exoplanetas gigantes. También es escritora científica independiente y miembro de la colaboración de comunicación científica Astrobites.
