Los agujeros negros exóticos pueden ser un subproducto de la materia oscura.

Hace cincuenta años, el físico Stephen Hawking propuso una idea de lo que podría ser la materia oscura: una población de agujeros negros, que pueden haberse formado muy poco después del Big Bang. Estos agujeros negros “primarios” no son los goliats que detectamos hoy, sino regiones microscópicas de materia ultradensa que se habrían formado en la primera quintillón de segundo después del Big Bang y luego colapsaron y se esparcieron por el universo deformando el espacio-tiempo de maneras que podrían hacerlo. Explicar la materia oscura tal como la conocemos hoy.

Ahora, los físicos del MIT han descubierto que este proceso inicial puede haber producido algunos compañeros inesperados: incluso los pequeños agujeros negros con cantidades sin precedentes de una propiedad de la física nuclear conocida como “carga de color”.

Estos agujeros negros más pequeños y “sobrealimentados” habrían sido un estado de materia completamente nuevo, evaporándose posiblemente una fracción de segundo después de su creación. Sin embargo, aún podrían afectar una transición cosmológica clave: el momento en que se forjaron los primeros núcleos atómicos. Los físicos creen que los agujeros negros cargados de color pueden afectar el equilibrio de los núcleos en fusión, de una manera que los astrónomos algún día podrán detectar con mediciones futuras. Una observación así señalaría de manera convincente que los agujeros negros primordiales son la fuente de toda la materia oscura presente en la actualidad.

“Aunque estos seres exóticos y de corta vida no existen hoy en día, es posible que hayan influido en la historia cósmica de maneras que hoy pueden manifestarse en señales sutiles”, dice David Kaiser, profesor de Ciencias de Jarmshausen y profesor de Física. MIT “Dentro de la idea de que toda la materia oscura puede explicarse por agujeros negros, nos ofrece nuevas cosas que buscar”.

Kaiser y su coautora, la estudiante graduada del MIT Elba Alonso-Monsalve, publicaron su estudio hoy en la revista cartas de examen fisico.

Un tiempo antes de las estrellas

Los agujeros negros que conocemos y detectamos hoy son producto del colapso estelar, cuando el núcleo de una estrella masiva colapsa sobre sí mismo para crear una región que curva el espacio-tiempo de tal manera que cualquier cosa, incluso la luz, puede alcanzarse. Atrapados dentro de estos agujeros negros “astrofísicos” pueden tener desde unas pocas veces la masa del Sol hasta miles de millones de veces más masa.

Los agujeros negros “primordiales”, por el contrario, pueden ser mucho más pequeños y se cree que se formaron en tiempos preestelares. Antes de que el universo pudiera desarrollar elementos básicos, y mucho menos estrellas, los científicos creen que bolsas de materia primordial ultradensa podrían haberse fusionado en agujeros negros microscópicos que podrían haber sido tan densos que se podría comprimir la masa del asteroide. Una 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.

Si es así, ¿de qué estarían hechos estos agujeros negros primordiales? Ésa es la pregunta que abordaron Kaiser y Alonso-Monsalve en su nuevo estudio.

“La gente ha estudiado cuál habría sido la distribución de las masas de los agujeros negros durante la producción de este universo temprano, pero nunca la relacionaron con qué tipo de material habría caído en esos agujeros negros mientras se estaban formando”, dijo Kaiser Tells.

Rinoceronte sobrealimentado

Los físicos del MIT examinaron por primera vez las teorías existentes sobre la posible distribución de la masa de los agujeros negros cuando se formaron por primera vez en el universo primitivo.

“Nuestra sensación era que existe una correlación directa entre el momento en que se forma un agujero negro primordial y su masa”, dice Alonso-Monsalve. “Y esa ventana de tiempo es ridículamente temprana”.

Él y Kaiser calcularon que los agujeros negros primordiales debieron haberse formado en la primera quintillónésima de segundo después del Big Bang. Este estallido de tiempo habría producido agujeros negros microscópicos “normales” que eran tan grandes como un asteroide y tan pequeños como un átomo. También habría producido una pequeña fracción de agujeros negros superpequeños, con la masa de un rinoceronte y un tamaño mucho menor que el de un protón.

¿De qué estarían hechos estos agujeros negros primordiales? Para ello, recurrieron a estudios que exploraban la estructura del universo primitivo y, en particular, 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 básicos de los protones y neutrones, partículas elementales que se combinan para forjar los elementos básicos de la tabla periódica. Poco después del Big Bang, los físicos dedujeron, basándose en la QCD, que el universo era un plasma sobrecalentado de quarks y gluones que luego se enfriaba rápidamente para producir protones y neutrones.

Los investigadores descubrieron que, en la primera quintillónésima de segundo, el universo seguiría siendo una sopa de quarks y gluones independientes que aún no se han combinado. Cualquier agujero negro que se forme durante este tiempo devora partículas descoordinadas, junto con una propiedad exótica llamada “carga de color”, un estado de carga transportado únicamente por quarks y gluones descoordinados.

“Una vez que descubrimos que estos agujeros negros se forman en un plasma de quarks y gluones, lo más importante que teníamos que averiguar era cuánta carga de color hay en la masa de materia que es un agujero negro primordial. ¿Terminaré? ” dice Alonso-Monsalve.

Utilizando la teoría QCD, descubrieron la distribución de carga de color que debería haber existido en el plasma primordial y caliente. Luego compararon esto con el tamaño de la región que colapsaría y se convertiría en un agujero negro en la primera quintillónésima de segundo. Esto sugiere que la mayoría de los agujeros negros comunes en ese momento no tenían mucha carga coloreada, ya que se formaron al absorber una gran cantidad de regiones que contenían una mezcla de cargas, que eventualmente habrían incluido una “neutra”. “Cargar.

Pero los agujeros negros más pequeños estarían llenos de carga de color. De hecho, habrían contenido la cantidad máxima de carga de cualquier tipo para un agujero negro, según las leyes fundamentales de la física. Si bien durante décadas se han planteado hipótesis sobre agujeros negros “extremos”, hasta ahora nadie había descubierto un proceso realista mediante el cual cosas tan extrañas podrían haber ocurrido en nuestro universo.

Los agujeros negros sobrealimentados se habrían evaporado rápidamente, pero probablemente sólo después de que comenzaron a formarse los primeros núcleos atómicos. Los científicos estiman que este proceso comenzó aproximadamente un segundo después del Big Bang, lo que habría dado a los agujeros negros supermasivos tiempo suficiente para alterar las condiciones de equilibrio que habrían prevalecido cuando se formaron los primeros núcleos. Tales perturbaciones podrían potencialmente afectar la forma en que se forman esos primeros núcleos, de maneras que algún día podrán observarse.

“Estos objetos deben haber dejado algunas impresiones observacionales interesantes”, reflexiona Alonso-Monsalve. “Podrían haber cambiado el equilibrio de esa competencia, y ese es el tipo de cosas en las que uno puede empezar a pensar”.