La búsqueda de los agujeros negros primordiales, remanentes del Big Bang, podría estar a punto de intensificarse.
Cuando parecía que el rastro de estos minúsculos agujeros negros se había enfriado, un equipo internacional de científicos ha encontrado nuevas pistas en la física cuántica que podrían reabrir el caso. La importancia de encontrar estos agujeros negros primordiales radica en que podrían ser candidatos a materia oscura.
La materia oscura constituye el 85% de la masa del Universo, pero no interactúa con la luz como la materia ordinaria. Esta materia, formada por átomos, compone las estrellas, planetas, lunas y nuestros cuerpos. Sin embargo, la materia oscura sí interactúa con la gravedad, lo que puede influir en la «materia ordinaria» y la luz. Esto la convierte en un objetivo perfecto para la investigación cósmica.
Si los agujeros negros originados por el Big Bang realmente existieran, serían extremadamente pequeños, algunos incluso del tamaño de una moneda de diez céntimos, y tendrían masas comparables a las de asteroides o planetas. Al igual que los agujeros negros de mayor tamaño, como los de masa estelar (10 a 100 veces la masa del Sol) y los supermasivos (millones o miles de millones de veces la masa del Sol), estos agujeros negros primordiales estarían rodeados por un «horizonte de sucesos» que impide que emitan o reflejen luz. Esto los convierte en candidatos ideales para la materia oscura: lo suficientemente pequeños para pasar desapercibidos, pero con un impacto significativo en el espacio.
El equipo de científicos del Centro de Investigación del Universo Primitivo (RESCEU) y del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU, WPI) de la Universidad de Tokio ha aplicado un marco teórico al universo primitivo que combina la teoría clásica de campos, la teoría de la relatividad especial de Einstein y la mecánica cuántica. Esta última explica el comportamiento de partículas como electrones y quarks y da lugar a la teoría cuántica de campos (QFT).
La aplicación de la QFT al universo temprano ha llevado al equipo a creer que hay muchos menos agujeros negros primordiales en el Universo de lo que muchos modelos actuales estiman. Si esto es cierto, los agujeros negros primordiales podrían descartarse como candidatos a materia oscura.
«Los llamamos agujeros negros primordiales y muchos investigadores los consideran un firme candidato a materia oscura, pero tendría que haber muchos para satisfacer esa teoría», explica Jason Kristiano, estudiante de la Universidad de Tokio, en un comunicado. «También son interesantes por otras razones, ya que, desde el reciente avance de la astronomía de ondas gravitacionales, se han descubierto fusiones binarias de agujeros negros, que pueden explicarse si los agujeros negros primordiales existen en gran número».
«Pero a pesar de estas poderosas razones para su esperada abundancia, no hemos visto ninguno directamente, y ahora tenemos un modelo que debería explicar por qué ocurre esto».
Regreso al Big Bang para buscar agujeros negros primordiales
Los modelos cosmológicos más aceptados sugieren que el Universo comenzó hace unos 13.800 millones de años, durante un periodo inicial de rápida inflación: el Big Bang.
Tras la aparición de las primeras partículas en el Universo durante esta expansión inicial, el espacio se enfrió lo suficiente como para permitir que electrones y protones se unieran y formaran los primeros átomos. Fue entonces cuando nació el elemento hidrógeno.
### La Evolución del Universo: De la Edad Oscura a la Transparencia Cósmica
Antes del Enfriamiento: Un Universo Opaco
En los primeros momentos del Universo, la luz no podía viajar libremente debido a la constante dispersión de fotones por los electrones. Este fenómeno hacía que el cosmos fuera esencialmente opaco, sumido en una «edad oscura» literal.
La Última Dispersión y la Época de Reionización
Cuando los electrones libres finalmente se unieron a los protones, la luz pudo comenzar a viajar sin obstáculos. Este evento, conocido como la «última dispersión», marcó el inicio de la «época de reionización», durante la cual el Universo se volvió transparente a la luz. La primera luz que atravesó el cosmos en esta época aún es visible hoy en día como el «fondo cósmico de microondas» (CMB), un campo de radiación casi uniforme que actúa como un «fósil» universal.
Formación de las Primeras Estructuras Cósmicas
Los átomos de hidrógeno formados durante este periodo dieron lugar a las primeras estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias. Curiosamente, algunas galaxias mostraban más masa de la que sus componentes visibles podían explicar, lo que llevó a la hipótesis de la existencia de materia oscura.
Agujeros Negros Primordiales: Un Origen Único
A diferencia de los agujeros negros de masa estelar, que se forman a partir del colapso de estrellas masivas, y los agujeros negros supermasivos, que crecen mediante la fusión de agujeros negros más pequeños, los agujeros negros primordiales se formaron antes de que existieran las estrellas. Se cree que las condiciones extremas del Universo primitivo permitieron que pequeñas porciones de materia colapsaran bajo su propia gravedad, creando estos agujeros negros diminutos.
Correcciones en la Teoría de Formación de Agujeros Negros Primordiales
El equipo de investigación ya había analizado modelos de agujeros negros primordiales, pero estos no coincidían con las observaciones del CMB. Para solucionar esto, aplicaron correcciones a la teoría principal, utilizando la teoría cuántica de campos (QFT).
Inflación Cósmica y Ondas Primordiales
Según Jun’ichi Yokoyama, director de Kavli IPMU y RESCEU, el Universo era inicialmente mucho más pequeño que un átomo. La inflación cósmica lo expandió rápidamente en 25 órdenes de magnitud. Durante este tiempo, las ondas que viajaban por el diminuto espacio podían tener amplitudes grandes pero longitudes de onda muy cortas.
Amplificación de Ondas y el CMB
El equipo descubrió que estas ondas pequeñas pero fuertes podían amplificarse para convertirse en las ondas mucho más grandes observadas en el CMB actual. Esta amplificación se debe a la coherencia entre las ondas cortas iniciales, explicada mediante la cromodinámica cuántica (QCD).
Impacto de las Fluctuaciones Iniciales en el CMB
Si la teoría del equipo es correcta, las fluctuaciones iniciales a pequeña escala en el Universo podrían crecer e influir en las fluctuaciones a gran escala observadas en el CMB. Esto tendría un impacto significativo en nuestra comprensión del cosmos.
Conclusión
La evolución del Universo, desde su estado opaco inicial hasta la transparencia cósmica, es un viaje fascinante que continúa revelando nuevos misterios. Las investigaciones actuales sobre los agujeros negros primordiales y las fluctuaciones del CMB nos acercan cada vez más a comprender los orígenes y la estructura del cosmos.
Medición de Fluctuaciones en el CMB
La medición de las fluctuaciones en el Fondo Cósmico de Microondas (CMB) es crucial para entender cómo han evolucionado las estructuras en el cosmos. Estas fluctuaciones iniciales en el universo primitivo determinan fenómenos que dependen de variaciones más pequeñas, como la formación de agujeros negros primordiales.
El Origen de los Agujeros Negros Primordiales
«Se cree que el colapso de ondas cortas pero intensas en el universo temprano es lo que da origen a los agujeros negros primordiales», explica Kristiano. «Nuestro estudio sugiere que debería haber muchos menos agujeros negros primordiales de los necesarios si realmente fueran un candidato fuerte para la materia oscura o los eventos de ondas gravitacionales».
Hipótesis y Detección de Agujeros Negros Primordiales
Actualmente, los agujeros negros primordiales son solo una hipótesis. La naturaleza absorbente de luz de los agujeros negros de masa estelar hace que incluso estos grandes objetos sean difíciles de detectar. Imagina lo complicado que sería detectar un agujero negro con un horizonte de eventos del tamaño de una moneda de diez céntimos.
Ondas Gravitacionales: La Clave para la Detección
La clave para detectar agujeros negros primordiales podría no estar en la «astronomía tradicional», sino en la medición de pequeñas ondulaciones en el espacio-tiempo conocidas como ondas gravitacionales. Aunque los detectores actuales no son lo suficientemente sensibles para detectar las ondulaciones resultantes de la colisión de agujeros negros primordiales, futuros proyectos como la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) llevarán la detección de ondas gravitacionales al espacio. Esto podría ayudar a confirmar o refutar la teoría del equipo, acercando a los científicos a la confirmación de que los agujeros negros primordiales pueden ser responsables de la materia oscura.
