Agujeros negros primigenios y del tamaño de un átomo, ¿la verdadera naturaleza de la materia oscura?

La materia oscura es un tipo desconocido de materia que no puede detectarse más que por su influencia gravitatoria. Es más abundante en el cosmos que la materia normal. No corresponde a agujeros negros convencionales ni a ninguna otra clase de astro conocida. Unos científicos han llegado a la conclusión de que la identidad de la materia oscura es la de una clase hipotética de agujeros negros, creados en los primeros instantes de existencia del universo, como consecuencia directa del Big Bang, y que tendrían masas comparables a las de un asteroide, demasiado bajas para poder ser creados por alguno de los fenómenos naturales del universo actual.

Un equipo internacional de cosmólogos liderado desde el Departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y el Instituto de Física Teórica, adscrito a la UAM y al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), en España todas estas entidades, ha propuesto que los agujeros negros primordiales, cuya existencia ha venido siendo meramente hipotética, podrían haber sido producidos por un aumento de la temperatura del universo durante sus primeros instantes de existencia. Y que si realmente existen, seguramente serían la materia oscura.

Según los autores del estudio, ese mismo incremento de temperatura habría provocado la formación de ondas gravitacionales (pequeñas deformaciones del espacio-tiempo que se propagan de forma similar a las ondas en la superficie de un lago) que hoy podríamos detectar con un sistema de satélites detectores con la sensibilidad adecuada.

“Al tener los agujeros negros primordiales y las ondas gravitacionales su origen en un mismo proceso físico, la detección de estas últimas constituiría una valiosa fuente de información. Por ejemplo, la frecuencia de las ondas gravitacionales permitiría determinar la masa de los agujeros negros primordiales”, destaca el equipo de Guillermo Ballesteros, de la UAM.

De este modo, el trabajo ofrece en conjunto una nueva hipótesis para explicar la naturaleza de la materia oscura.

Materia oscura

Uno de los principales problemas abiertos en cosmología es la naturaleza de la ‘materia oscura’, que es como se conoce al tipo de materia más abundante en el universo (aproximadamente el 85% de la materia total). Su existencia se infiere a partir de observaciones astrofísicas y cosmológicas, como el movimiento de rotación de las galaxias espirales.

Al contrario de la materia ordinaria (aquella de la que está hecho todo lo que conocemos en nuestra vida cotidiana y de la que están hechos los objetos astronómicos que observamos hasta los confines del universo), la materia oscura no puede observarse de forma directa. La palabra “oscura” hace referencia a esta propiedad física. Y lógicamente, esto dificulta sobremanera el estudio de su composición y origen.

La hipótesis más popular supone que la materia oscura consiste en partículas que interaccionan muy débilmente (en particular con la radiación electromagnética). Sin embargo, la persistente ausencia de detecciones de tales partículas (a pesar de ingentes esfuerzos experimentales dedicados a ello) lleva a los físicos a considerar también otras posibilidades.

Agujeros negros primordiales

Una posibilidad son los agujeros negros primordiales. Como cualquier agujero negro, los agujeros negros primordiales son regiones del espacio-tiempo extremadamente densas, a tal punto que ni siquiera la luz puede escapar a su atracción gravitatoria.

El nombre “primordial” se refiere a que, a diferencia de los agujeros negros usuales, su origen no es el colapso de estrellas en el universo tardío, sino elevadas concentraciones de materia y energía del universo primitivo.

Estas zonas de elevada densidad podrían haberse formado a partir de fluctuaciones cuánticas generadas en una fase del universo conocida como “inflación primordial”. Se cree que durante esta fase el universo se expandió de forma exponencialmente rápida, idea que fue propuesta en la década de 1980 para explicar, entre otras cuestiones, la gran similitud entre regiones muy distantes del universo.

Además, la inflación primordial también es capaz de dar cuenta de las semillas de densidad que dieron origen a las estructuras presentes en el universo, como por ejemplo las galaxias. De forma similar, semillas primordiales de densidad suficiente podrían explicar la formación de agujeros negros.

Los agujeros negros de mayor masa residen en los centros de galaxias, como aparentemente ocurre en la galaxia de la foto, NGC 1300. Los agujeros negros de menor masa son los formados a partir de cadáveres de estrellas y que todavía no han tenido oportunidad de tragar mucha materia y aumentar de manera sustancial su masa. Sin embargo, quizá existan multitud de agujeros negros primigenios, con masas muy inferiores a las de los agujeros negros que se crean a partir de estrellas, Esos agujeros negros primigenios podrían ser la materia oscura del universo. (Foto: NASA / ESA)

Aumento transitorio de la temperatura

La mayoría de los modelos de inflación cosmológica dan por hecho que la temperatura del universo durante la inflación primordial fue extremadamente baja, en comparación con la de los instantes previos. El trabajo desarrollado en la UAM estudia los efectos de un aumento transitorio de la temperatura durante dicha fase.

“Este incremento de temperatura estaría relacionado con la formación de una población de agujeros negros. Como consecuencia del aumento repentino de la temperatura durante la inflación, la cantidad de agujeros negros primordiales aumenta considerablemente, pudiendo dar cuenta de la cantidad de materia oscura presente en el universo”, detallan los autores del estudio.

“Para dar cuenta de la materia oscura en el universo —agregan—, la masa de cada agujero negro primordial debería ser aproximadamente un millón de veces menor que la de la Tierra. Debido a su alta densidad, estos agujeros negros tendrían un tamaño comparable al de un átomo, lo cual se corresponde con ondas gravitacionales de unos 0,01 Hz de frecuencia”.

“Este tipo de ondas gravitacionales —continúan— escapan a la precisión de los experimentos actualmente existentes, pero podrían ser observadas con futuros detectores en la próxima década. En particular la colaboración internacional LISA, ya en marcha, tiene las características adecuadas para lograrlo.”

“La detección de este tipo de ondas gravitacionales podría suponer no solo un hito sensacional en la física de la gravitación, sino también un avance fundamental en la solución del problema de la materia oscura. Además, significaría un gran progreso, tal vez radical, en nuestra forma de entender la física del universo temprano”, concluyen los autores del estudio.

El estudio se titula “Primordial black holes and gravitational waves from dissipation during inflation”. Y se ha publicado en la revista académica Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. (Fuente: UAM / NCYT de Amazings)