Por cada kilogramo de materia que podemos ver (desde la computadora de nuestro escritorio hasta estrellas y galaxias distantes), hay 5 kilogramos de materia invisible que impregnan nuestro entorno. Esta “materia oscura” es una entidad misteriosa que evade toda forma de observación directa pero hace sentir su presencia a través de su atracción invisible sobre los objetos visibles.
Hace cincuenta años, el físico Stephen Hawking ofreció una idea de lo que podría ser la materia oscura: una población de agujeros negros, que podrían haberse formado muy poco después del Big Bang. Estos agujeros negros “primordiales” no habrían sido los goliats que detectamos hoy, sino regiones microscópicas de materia ultradensa que se habrían formado en la primera quintillónésima de segundo después del Big Bang y luego colapsarían y se dispersarían por el cosmos, tirando de y rodeando el espacio-tiempo de maneras que podrían explicar la materia oscura que conocemos hoy.
Ahora, los físicos del MIT han descubierto que este proceso primordial también habría producido algunos compañeros inesperados: agujeros negros aún más pequeños con cantidades sin precedentes de una propiedad de la física nuclear conocida como “carga de color”.
Estos agujeros negros más pequeños y “supercargados” habrían sido un estado de materia completamente nuevo, que probablemente se evaporó una fracción de segundo después de su aparición. Sin embargo, todavía podrían haber influido en una transición cosmológica clave: el momento en que se forjaron los primeros núcleos atómicos.
Los físicos postulan que los agujeros negros cargados de color podrían haber afectado el equilibrio de los núcleos en fusión, de una manera que los astrónomos podrían detectar algún día con mediciones futuras. Una observación así señalaría de manera convincente que los agujeros negros primordiales son la raíz de toda la materia oscura actual.
“Aunque estas criaturas exóticas y de vida corta no existen hoy en día, podrían haber afectado la historia cósmica de maneras que hoy podrían manifestarse en señales sutiles”, dice David Kaiser, profesor de Historia de la Ciencia en Germeshausen y profesor de física en el MIT. “Dentro de la idea de que toda la materia oscura podría deberse a agujeros negros, esto nos ofrece nuevas cosas que buscar”.
Kaiser y la coautora, la estudiante graduada del MIT Elba Alonso-Monsalve, publicaron su estudio en la revista Physical Review Letters.
Un tiempo antes de las estrellas
Los agujeros negros que conocemos y detectamos hoy son producto del colapso estelar, cuando el centro de una estrella masiva se hunde sobre sí mismo para formar una región tan densa que puede doblar el espacio-tiempo de tal manera que cualquier cosa, incluso la luz, queda atrapada dentro. Estos agujeros negros “astrofísicos” pueden tener desde unas pocas veces la masa del Sol hasta muchos miles de millones de veces más.
Los agujeros negros “primordiales”, por el contrario, pueden ser mucho más pequeños y se cree que se formaron antes de las estrellas. Antes de que el universo hubiera siquiera preparado los elementos básicos, y mucho menos las estrellas, los científicos creen que bolsas de materia primordial ultradensa podrían haberse acumulado y colapsado para formar agujeros negros microscópicos que podrían haber sido tan densos como para comprimir la masa de un asteroide en un región tan pequeña como un solo 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 ese fuera el caso, ¿de qué se habrían formado estos agujeros negros primordiales? Ésa es la pregunta que asumieron Kaiser y Alonso-Monsalve con su nuevo estudio.
“La gente ha estudiado cuál sería la distribución de las masas de los agujeros negros durante esta producción del universo temprano, pero nunca la vincularon con qué tipo de cosas habrían caído en esos agujeros negros en el momento en que se estaban formando”, explica Kaiser.
Rinocerontes supercargados
Los físicos del MIT examinaron primero las teorías existentes para determinar la probable distribución de las masas de los agujeros negros cuando se estaban formando por primera vez en el universo primitivo.
“Nos dimos cuenta de que existe una correlación directa entre cuándo se forma un agujero negro primordial y con qué masa se forma”, dice Alonso-Monsalve. “Y esa ventana de tiempo es absurdamente temprana”.
Ella y Kaiser calcularon que los agujeros negros primordiales deben haberse formado dentro de la primera quintillónésima de segundo después del Big Bang. Este destello de tiempo habría producido agujeros negros microscópicos “típicos” que eran tan masivos como un asteroide y tan pequeños como un átomo. También habría producido una pequeña fracción de agujeros negros exponencialmente más pequeños, con la masa de un rinoceronte y un tamaño mucho menor que el de un solo protón.
¿De qué estarían formados estos agujeros negros primordiales? Para ello, recurrieron a estudios que exploraban la composición del universo primitivo y, específicamente, 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 fundamentales de los protones y neutrones, partículas elementales que se combinaron para forjar los elementos básicos de la tabla periódica. Inmediatamente después del Big Bang, los físicos estimaron, basándose en QCD, que el universo era un plasma inmensamente caliente de quarks y gluones que luego se enfrió rápidamente y se combinó para producir protones y neutrones. Los investigadores descubrieron que, en la primera quintillónésima de segundo, el universo todavía habría sido una sopa de quarks y gluones libres que aún no se habían combinado. Cualquier agujero negro que se formara en este tiempo se habría tragado las partículas sueltas, junto con una propiedad exótica conocida como “carga de color”, un estado de carga que sólo portan los quarks y gluones no combinados.
“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 está contenida en la masa de materia que terminará en un agujero negro primordial?” dice Alonso-Monsalve.
Utilizando la teoría QCD, calcularon la distribución de la carga de color que debería haber existido en todo el plasma primitivo y caliente. Luego compararon eso con el tamaño de una región que colapsaría para formar un agujero negro en la primera quintillónésima de segundo. Resulta que no habría mucha carga de color en la mayoría de los agujeros negros típicos de esa época, ya que se habrían formado absorbiendo una gran cantidad de regiones que tenían una mezcla de cargas, lo que en última instancia habría resultado en un carga “neutral”.
Pero los agujeros negros más pequeños habrían estado llenos de carga de color. De hecho, habrían contenido la cantidad máxima de cualquier tipo de carga permitida para un agujero negro, según las leyes fundamentales de la física. Mientras que durante décadas se han planteado hipótesis sobre agujeros negros “extremos”, hasta ahora nadie había descubierto un proceso realista mediante el cual tales rarezas pudieran haberse formado en nuestro universo.
Los agujeros negros supercargados se habrían evaporado rápidamente, pero posiblemente sólo después del momento en 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 extremos suficiente tiempo para alterar las condiciones de equilibrio que habrían prevalecido cuando los primeros núcleos comenzaron a formarse. Tales perturbaciones podrían potencialmente afectar la forma en que se formaron esos primeros núcleos, de maneras que algún día podrían observarse.
“Estos objetos podrían haber dejado algunas huellas de observación interesantes”, reflexiona Alonso-Monsalve. “Podrían haber cambiado el equilibrio entre esto y aquello, y ese es el tipo de cosas sobre las que uno puede empezar a preguntarse”.
Fuente: Phys.org.
