¿Estamos a punto de ver explotar un agujero negro?

El nuevo estudio, publicado en 'Physical Review Letters', desafía la creencia generalizada de que este tipo de fenómenos son tan raros que solo se producen, como mucho, una vez cada 100.000 años. Pero ¿qué es exactamente un 'agujero negro primordial' y por qué su eventual estallido tiene tanta importancia? La respuesta nos lleva de vuelta a los primeros instantes del Universo, hace 13.800 millones de años, y a las teorías de uno de los gigantes de la Física del pasado siglo: Stephen Hawking.

Cuando pensamos en agujeros negros, la imagen que nos viene a la cabeza es la de una estrella gigante que, al agotar su combustible, colapsa sobre sí misma, estalla como supernova y deja tras de sí un punto en el espacio-tiempo con una gravedad tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su interior. Y así son, en efecto, los 'agujeros negros estelares', los que mejor conocemos y los que más hemos observado. Luego están, también, los llamados 'agujeros negros supermasivos' auténticos gigantes que llegan a ser hasta miles de millones más masivos que el Sol y que residen en los centros de la mayoría de las galaxias.

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Pero hay más. En la década de 1970, Stephen Hawking propuso la existencia de otro tipo de agujeros negros, unos que nadie ha visto todavía: los 'agujeros negros primordiales' (PBH, por sus siglas en inglés).

A diferencia de sus parientes estelares y galácticos, los PBH no nacieron de la muerte de una estrella, ni de la fusión de múltiples agujeros negros hasta convertirse en gigantes, sino del propio caos surgido del Big Bang, la gran explosión que dio origen al Universo. Según los cálculos de Hawking, durante las fluctuaciones de densidad que tuvieron lugar durante ese primer instante cósmico, algunas regiones del espacio pudieron volverse tan densas que colapsaron y formaron agujeros negros de todos los tamaños, desde el una partícula subatómica al de un planeta, una estrella o, incluso, al de un agujero negro supermasivo.

Estos agujeros negros, especialmente los más pequeños, habrían surgido por miles de millones y se habrían repartido por todas partes. Aunque nadie, por ahora, ha conseguido detectar uno. Según la idea dominante, los que tienen el tamaño de partículas podrían atravesar galaxias, estrellas y planetas sin ni siquiera inmutarse, y es posible que mientras lee usted estas líneas alguno haya pasado limpiamente a través de su cuerpo. Lo malo es que los PBH, a pesar de su enorme densidad, deberían ser mucho más ligeros que los agujeros negros que hemos observado hasta ahora y, al haber existido durante tanto tiempo, la mayoría de ellos, ya debería haberse evaporado.

La idea de que los agujeros negros viven para siempre también fue desmentida por Hawking. Su teoría, en efecto, postulaba que los agujeros negros, en contra de lo que se pensaba, van perdiendo su masa muy lentamente a través de un tipo de radiación que, en su honor, lleva el nombre del cientìfico británico. Y es precisamente a través de la 'Radiación Hawking' como estos oscuros objetos, tanto los más grandes como los más pequeños, se 'evaporan' lentamente, perdiendo masa y energía en forma de partículas subatómicas. Hasta que dejan de existir.

«Cuanto más ligero es un agujero negro -explica Andrea Thamm, coautora del nuevo estudio- más caliente debería estar y más partículas emitirá. A medida que los PBH se evaporan, se vuelven cada vez más ligeros y, por lo tanto, más calientes, emitiendo cada vez más radiación en un proceso desbocado y que termina con una explosión. Es esa radiación de Hawking la que nuestros telescopios pueden detectar». El proceso podría compararse a un copo de nieve que se derrite: cuanto más pequeño es, más rápido desaparece.

Durante la explosión final, el agujero negro desaparece por completo. Sin embargo, la extrema lentitud del proceso de evaporación hace que para que un agujero negro de tamaño estelar o supermasivo explote se necesitan muchos miles de millones de años, muchos más de los 13.800 que tiene el Universo. Lo cual implica que difícilmente viviremos lo bastante como para ver explotar alguno.

No así los 'agujeros negros primordiales', más ligeros y lo suficientemente antiguos como para que muchos hayan desaparecido ya o, como veremos en seguida, estén a punto de hacerlo. Si lográramos detectar la radiación de Hawking, la 'firma' de una de esas explosiones, sabríamos con certeza que estamos ante uno de estos elusivos, y aún teóricos, objetos primordiales.

«Sabemos cómo observar la radiación de Hawking -afirma Joaquim Iguaz Juan, coautor del estudio-. Podemos verla con nuestra generación actual de telescopios, y debido a que los únicos agujeros negros que pueden explotar hoy o en un futuro cercano son los primordiales, sabemos que si vemos radiación de Hawking, estaremos viendo un PBH en explosión».

Hasta ahora, sin embargo, y a pesar de la teoría de Hawking, la probabilidad de presenciar la explosión de uno de estos diminutos agujeros negros se consideraba muy remota. Los cálculos más optimistas preveían una cada 100.000 años, lo que hacía del evento una auténtica 'lotería cósmica' casi imposible de ganar.

Y aquí es donde entra el nuevo estudio del equipo de la Universidad de Massachusetts Amherst. Según los investigadores, en efecto, deberíamos estar preparados para detectar una de esas explosiones mucho antes. «Creemos que hay hasta un 90% de posibilidades de presenciar una explosión de PBH en los próximos 10 años», dice el también coautor Aidan Symons.

En su estudio, los investigadores decidieron cuestionar una de las premisas fundamentales que desde siempre se habían dado por sentadas. Durante mucho tiempo, en efecto, se había asumido que los agujeros negros, tanto los estelares como los primordiales, son eléctricamente neutros. Pero ¿qué pasaría si un agujero negro primordial no fuera así? El equipo exploró la posibilidad de que los PBH pudieran haber adquirido una pequeña carga eléctrica durante su formación durante el Big Bang. Pero no una cualquiera, sino lo que llamaron una carga eléctrica 'oscura'.

Para poner a prueba su hipótesis, los investigadores crearon un 'modelo de juguete' que simula la interacción de fuerzas de la naturaleza. En este caso, 'dark-QED' es una versión 'oscura' de la electrodinámica cuántica (QED), la teoría que describe cómo las partículas cargadas interactúan a través de la fuerza electromagnética.

«Suena bastante esotérico, pero en este campo es algo bastante común», apunta Michael Baker, otro de los autores del artículo. En su modelo, los científicos introdujeron la idea de que los agujeros negros primordiales no solo tienen una 'carga eléctrica oscura', sino que también interactúan a través de fotones oscuros (equivalentes a los fotones de la luz visible) que están asociados a un 'electrones oscuros', una versión hipotética y mucho más pesada de nuestro electrón.

Los resultados fueron asombrosos: una carga eléctrica oscura, incluso una muy pequeña, podría estabilizar temporalmente un agujero negro primordial. Esta carga adicional suprimiría la emisión de la radiación de Hawking, lo que prolongaría la vida de unos agujeros negros que, en teoría, ya deberían haber desaparecido. En otras palabras, esta carga eléctrica actuaría como una especie de 'freno de mano' cósmico, permitiendo que por lo menos algunos de estos agujeros primordiales hayan podido sobrevivir hasta nuestros días.

Al tener en cuenta la nueva variable, los investigadores calcularon de nuevo las probabilidades de observar una explosión de PBH. Y una vez más, los resultados los dejaron boquiabiertos: la posibilidad de presenciar uno de estos eventos en la próxima década se dispara hasta un 90%. Es decir, que la espera ya no sería de 100.000 años, sino de 10.

«No estamos diciendo que vaya a pasar sí o sí esta década -matiza Baker-, pero hay hasta un 90% de posibilidades de que ocurra. Y como ya tenemos la tecnología para observar estas explosiones, deberíamos estar preparados».

El descubrimiento de un agujero negro primordial en plena explosión sería mucho más que un hito astronómico. Sería una oportunidad única para echar un vistazo directamente a los orígenes del Universo. La Radiación de Hawking liberada en el estallido contendría, de hecho, según Iguaz Juan, «un registro definitivo de cada partícula que compone el Universo. Lo cual revolucionará por completo la física y nos ayudará a reescribir su historia».

«Esta sería -concluye el investigador- la primera observación directa tanto de la radiación de Hawking como de un agujero negro primordial». Si los científicos tienen razón, podríamos estar a las puertas de un descubrimiento que cambiará para siempre nuestra comprensión de la realidad.