El extraño caso de la desaparición de los agujeros negros en miniatura

Sin embargo, hay un problema: la humanidad es capaz de medir la masa de todo el Universo. Pero las cuentas no salen. El cosmos 'pesa' un 85% más de lo que debería, por lo que los científicos señalan a que hay algo, bautizado como materia oscura, que no vemos, pero está ahí. Existen múltiples teorías de dónde podría 'esconderse', pero los sospechosos con más 'pruebas de culpabilidad' son los agujeros negros primordiales o primitivos. Se trata de agujeros negro en miniatura, con masas inferiores a las de nuestro Sol; si bien no hay que dejarse engañar por las apariencias: un agujero negro del tamaño de un átomo pesaría lo mismo que todo el Everest.

Para que esta teoría cuadrase, estos agujeros negros primordiales tendrían que estar por todas partes. Sin embargo, de momento, nuestra tecnología no ha sido capaz de encontrarlos, por lo que muchos se preguntan si existen en realidad. Ahora, un equipo formado por científicos del Centro de Investigación para el Universo Temprano (RESCEU) y el Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU, WPI) de la Universidad de Tokio (Japón) han descubierto que, en realidad, puede no haber tantos de estos 'monstruos en miniatura' después de todo. Las conclusiones acaban de publicarse en dos artículos en las revistas 'Physical Review Letters' y 'Physical Review D'.

Jason Kristiano y su supervisor, Junichi Yokoyama, autores de los artículos, llevan tiempo estudiando estos agujeros negros primordiales. «Aparte de por ser candidatos a explicar el misterio de la materia oscura, estos cuerpos son interesantes también por otras razones, ya que desde la reciente innovación en la astronomía de ondas gravitacionales, se han descubierto fusiones binarias de agujeros negros, lo que puede explicarse si los agujeros negros primordiales existen en grandes cantidades», explica Kristiano.

Porque ahora, tecnología como la de los observatorios mundiales de ondas gravitacionales -deformaciones en el tejido del espacio-tiempo que recorren todo el cosmos a la velocidad de la luz-, LIGO en EE. UU., Virgo en Italia; así como KAGRA en Japón, han podido 'escuchar' los ecos de fenómenos tan energéticos como dos agujeros negros chocando entre sí. Sin embargo, captar ondas gravitacionales no es la prueba definitiva de que los agujeros negros primordiales existan. De hecho, hay incongruencias: si estos cuerpos existieron, deberían estar reflejados de alguna forma en las observaciones que se hacen del fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés), una especie de huella de la explosión del Big Bang que es ha sido captada por la tecnología humana.

En este trabajo, los autores utilizaron un nuevo enfoque para corregir la formación de agujeros negros primordiales a partir de la inflación cósmica para que se alinee con las observaciones actuales, amén de poder comprobarse con las futuras observaciones de ondas gravitacionales.

«Al principio, el universo era increíblemente pequeño, mucho más pequeño que el tamaño de un solo átomo. La inflación cósmica rápidamente expandió eso en 25 órdenes de magnitud. En ese momento, las ondas que viajaban a través de este pequeño espacio podrían haber tenido amplitudes relativamente grandes perolongitudes de onda muy cortas. Lo que hemos descubierto es que estas ondas pequeñas y, sin embargo, fuertes, pueden traducirse en una amplificación que de otro modo sería inexplicable de ondas mucho más largas que vemos en el CMB actual», explica Yokoyama.

«Creemos que esto se debe a casos ocasionales de coherencia entre estas primeras ondas cortas, que pueden explicarse utilizando la teoría cuántica de campos, la teoría más sólida que tenemos para describir fenómenos cotidianos como los fotones o los electrones», indica.

Desde hace un siglo, los científicos se afanan por 'reconciliar' a la Mecánica Cuántica o las leyes que rigen el micromundo de las partículas -en el que éstos tienen propiedades increíbles como la capacidad de estar en varios sitios a la vez o de teletransportarse- con Teoría de la Relatividad General de Einstein, que funciona perfectamente para los fenómenos que ocurren a escalas macroscópicas en el espacio. La teoría cuántica de campos es un intento de reconciliar a ambas.

Esta hipótesis señala que el vacío, en realidad, está plagado de actividad física en forma de fluctuaciones energéticas. Esas variaciones, además, tienen la capacidad de hacer que aparezcan partículas que, sin embargo, desaparecen poco después. En la llamada 'Época de Planck', un periodo tan temprano de la historia de nuestro universo que abarcó solo una diez millonésima de una billonésima de una billonésima de una billonésima de segundo después del Big Bang, nuestro Universo funcionaba también como un Universo cuántico. El colapso de ondas cortas pero fuertes a las que se hacía referencia dio lugar a los agujeros negros primordiales cuyo rastro no se encuentra en el CBD. Sin embargo, los autores dicen que muchas de este tipo de ondas en un cosmos mucho más compacto habrían tenido el poder de remodelar ondas mucho más grandes que ellos mismos.

«Si bien las ondas cortas individuales serían relativamente impotentes, los grupos coherentes tendrían el poder de remodelar ondas mucho más grandes que ellos mismos. Este es un raro caso en el que una teoría de algo en una escala extrema parece explicar algo en el extremo opuesto de la escala», explica Yokoyama. Si, como sugieren Kristiano y Yokoyama, las primeras fluctuaciones a pequeña escala en el universo afectan algunas de las fluctuaciones a mayor escala que vemos en el CMB, esto podría alterar la explicación estándar de las estructuras del Universo.

Pero también, dado que podemos utilizar mediciones de longitudes de onda en el CMB para limitar la extensión de las longitudes de oda correspondientes en el universo temprano, esto necesariamente limita cualquier otro fenómeno que pueda depender de estas longitudes de onda más cortas y más fuertes. Y aquí es donde vuelven a entrar en juego los agujeros negros primordiales. «Nuestro estudio sugiere que debería haber muchos menos de estos objetos de los que se necesitarían si realmente fueran un fuerte candidato para eventos de materia oscura u ondas gravitacionales», incide.

Sin embargo, la teoría se trata aún de un modelo. Los autores señalan que habrá que esperar a nuevas observaciones que lo corroboren. Por lo tanto, el caso de los agujeros negros primordiales aún sigue abierto.