El universo puede contener millones de agujeros negros primordiales hechos de materia oscura

En poco más de un siglo los humanos hemos pasado de pensar que los agujeros negros no existen a saber que hay millones de ellos y que tenemos uno descomunal en el centro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea —un hallazgo que ha merecido el Nobel de Física 2020—. En el interior de estos cuerpos invisibles, donde nada que entre puede ya salir están las respuestas a las preguntas más importantes de la física actual, incluida una que vale otro Nobel: ¿qué es la materia oscura?

“Desde que se forma un agujero negro, es literalmente imposible saber qué hay dentro de él. Ni siquiera si pudieras entrar verías de qué está hecho, solo captarías la curvatura del espacio-tiempo”, explica el físico teórico Juan García-Bellido, físico de la Universidad Autónoma de Madrid.

Este investigador es el padre de una teoría formulada hace décadas que ha cobrado nuevo interés debido a la detección de ondas gravitacionales producidas por la colisión de agujeros negros cuya existencia es difícil de explicar con las leyes de evolución estelar convencionales.

En el universo hay dos tipos de materia. La convencional, de la que está hecho todo lo que los humanos somos y podemos ver, supone solo el 15%. El resto, el 85% de toda la materia del cosmos, es oscura. Según la teoría de García-Bellido, parte o incluso toda la materia oscura del universo está hecha de agujeros negros primordiales.

Estos cuerpos se habrían formado una millonésima de segundo después del Big Bang, el estallido con el que nació el universo hace 13.700 millones de años. Por entonces no había luz, ni materia tal y como la conocemos hoy, solo un plasma de gas a altísimas temperaturas. En fracciones de segundo sucedió la inflación, una expansión violenta que hizo que dos puntos que estaban a millonésimas de metro pasaran a estar a millones de millones de kilómetros. En aquel plasma había pequeñas fluctuaciones cuánticas que, impulsadas por la inflación, se convirtieron en objetos macroscópicos de densidad infinita: agujeros negros primordiales. En comparación, la materia convencional es mucho más reciente, pues los primeros ladrillos de la materia visible, como los núcleos de los primeros átomos, se formaron entre un segundo y tres minutos después del Big Bang, cuando el universo era ya un lugar muchísimo más grande y frío.

“Según nuestros cálculos, solo en nuestra galaxia habría alrededor de un millón de millones de agujeros negros primordiales”, explica García-Bellido. “En el universo hay unos dos millones de millones de galaxias, con lo que todos estos agujeros negros juntos podrían componer toda la materia oscura del universo”, señala el físico.

Según los cálculos de la teoría original de García-Bellido, elaborada en 1996 junto con Andrei Linde y David Wands, y más tarde desarrollada con su colega belga Sébastien Clesse, de la Universidad de Lovaina, no hay forma de que la física estelar pueda producir una fusión de agujeros negros como la anunciada por LIGO en septiembre. En su opinión, todos los agujeros negros detectados hasta ahora por LIGO pueden ser primordiales, tal y como tiene previsto explicar hoy a las 19:00 en una conferencia virtual que organiza la Fundación Ramón Areces.

“Pensábamos que esta teoría estaba muerta hasta que hemos empezado a ver muchos eventos de este tipo”, ha reconocido Rainer Weiss, uno de los padres del detector de ondas gravitacionales LIGO y ganador del Nobel de Física en 2017, en una reciente charla. El veterano físico explica a este diario: “La idea de que los agujeros negros primordiales existen es válida. No hace falta una estrella agonizante para formar un agujero negro, es posible que algunos se formasen al comienzo de la vida del universo por singularidades en la geometría del espacio-tiempo. Por eso es interesante buscarlos. LIGO ha detectado muchas más colisiones de agujeros negros que aún debemos analizar en detalle”.

La forma convencional de producir agujeros negros es a través de estrellas que consumen todo su combustible, explotan y de sus escombros comprimidos se forma un agujero negro. Pero este proceso no puede formar agujeros tan masivos como los anunciados hace unas semanas, con 85 y 66 veces la masa del Sol. Como dice García-Bellido y suscribe el Nobel Weiss, es posible que estos agujeros negros sean reliquias de los orígenes del universo, aunque por ahora es solo una teoría.

La explicación puede ser mucho más mundana, según otros físicos. Puede ser que simplemente nuestras teorías de evolución estelar no son perfectas. Hay una tercera explicación alternativa y válida: que estos agujeros se formasen en regiones del universo conocidas como cúmulos globulares, esferas descomunales formadas por miles de estrellas. Muchas de ellas mueren y forman miles de agujeros negros que estarían lo suficientemente cerca como para encontrarse, atraerse, chocar y fundirse. El problema es que necesitarían más tiempo que la edad del universo para fusionarse, según los cálculos de García-Bellido.

¿Cómo se podría demostrar la existencia de estos agujeros negros primordiales? “La única forma de estudiarlos desde fuera es a través de sus tres propiedades básicas: carga, masa y espín [rotación]. En este caso los agujeros negros que LIGO está descubriendo no tienen ni carga ni espín, así que lo único que nos queda es encontrar agujeros con una masa que no pueda explicarse de otra forma que la que proponemos”, señala García-Bellido. La prueba irrefutable, explica, sería la detección de agujeros negros de menos de una masa solar, imposibles de formar por física estelar. Los detectores de LIGO no tienen aún la sensibilidad necesaria, pero es posible que la alcancen a partir de octubre de 2021, después de mejoras técnicas. Más allá, habrá que esperar a detectores capaces de observar ondas gravitacionales que vienen de las primeras fracciones de segundo después del Big Bang, como podría conseguir el telescopio Einstein, que comenzará a funcionar en la década de 2030, o el detector espacial LISA, cuyo lanzamiento está previsto para 2034.

Hay un último detalle de esta teoría aún más cercano para todos los habitantes de la Tierra. En los confines del sistema solar, más allá de Neptuno, los astrónomos han detectado perturbaciones en las órbitas de algunos objetos que podrían deberse a la presencia de un noveno planeta con una masa unas 10 veces mayor que la de la Tierra. Según los cálculos de formación de agujeros negros primordiales, tras el Big Bang también se crearon agujeros negros primordiales con una masa equivalente a la de planetas como Neptuno. Aunque aún es otra teoría sin confirmar, es posible que el enigmático Planeta 9 sea un agujero negro primordial.

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