Los agujeros negros suelen formarse por el colapso gravitacional de una estrella, creando un objeto tan denso que curva el espacio-tiempo hasta el punto de que resulta imposible que algo, incluso la luz, escape de su campo gravitatorio. Sin embargo, existe otro tipo, los llamados agujeros negros primordiales, formados en los primeros instantes tras el Big Bang, cuando la materia del universo era tan densa que incluso una pequeña fluctuación bastaba para crear singularidades con su horizonte de sucesos y todas las demás características de un agujero negro tradicional, pero con una masa que puede ser mucho menor.
Estos cuerpos celestes nunca se han observado, y se creía que los más pequeños debían de haber desaparecido hace mucho tiempo, evaporados por el efecto de la radiación de Hawking, la emisión de energía térmica postulada por el gran físico inglés que le da nombre.
Sin embargo, una nueva investigación ofrece una alternativa intrigante: los agujeros negros primordiales de la masa adecuada podrían haber sobrevivido hasta nuestros días, transformándose en su opuesto, es decir, «agujeros blancos» que repelen continuamente materia y energía y en los que nada, ni siquiera la luz, puede entrar cruzando el horizonte de sucesos.
Los resultados, descritos en un estudio publicado en arXiv, no solo son interesantes desde un punto de vista teórico, sino que también ofrecen un nuevo candidato posible para la masa perdida del Universo: la escurridiza materia oscura que nadie ha logrado detectar podría estar constituida por agujeros blancos microscópicos, con una masa comparable a la de un solo cabello humano, y por lo tanto casi imposibles de detectar desde nuestro planeta.
Los orígenes en el universo primigenio
Los agujeros negros son objetos masivos formados por el colapso de una estrella masiva (al menos 20-25 veces la masa de nuestro Sol) o por la acumulación de enormes cantidades de gas en los centros de las galaxias (agujeros negros supermasivos). Por su parte, los agujeros negros primordiales son cuerpos celestes formados en los primeros milisegundos de la vida del cosmos, en un momento en que el universo era un plasma caliente y ultradenso, en el que las fluctuaciones cuánticas de densidad habrían empujado algunas regiones más allá del umbral crítico, desencadenando un colapso gravitacional inmediato. El resultado son objetos matemáticamente idénticos a los agujeros negros ordinarios, pero con un amplio rango de masas teóricas, desde fracciones de gramo hasta miles de masas solares.
En 1974, Stephen Hawking introdujo los efectos cuánticos en la descripción de los agujeros negros, demostrando que podían emitir una forma débil de radiación térmica. Este fenómeno provocaría una pérdida constante de masa. Para los agujeros negros de origen estelar, el efecto es prácticamente irrelevante: su temperatura es inferior a la del fondo cósmico, lo que significa que absorben más energía de la que emiten.
Sin embargo, para los agujeros negros primordiales más pequeños, la situación es diferente: su temperatura es inversamente proporcional a su masa, y cuanto mayor es la temperatura, más intensa es la radiación que emiten. Por lo tanto, con el paso del tiempo, un agujero negro pequeño está destinado a perder masa cada vez más rápidamente, llegando teóricamente a evaporarse por completo en una explosión final de rayos de alta energía. Por esta razón, todos los modelos estándar indicaban que los agujeros negros primordiales con masas iniciales inferiores a mil millones de toneladas deberían haber dejado de existir mucho antes de la época actual.
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La masa de Planck
Se suele creer que un pequeño agujero negro se evapora cada vez más rápido, hasta desaparecer por completo en una explosión final que podría producir radiación de alta energía, como rayos gamma. Sin embargo, la física encuentra un límite al intentar describir los momentos finales de esta evaporación. Cuando la masa del agujero negro disminuye hasta la masa de Planck (aproximadamente 22 microgramos, el equivalente a un cabello humano), llegamos a un punto límite donde el mundo microscópico de la física cuántica y el mundo macroscópico de la relatividad general colisionan, y los efectos de ambos se vuelven simultáneamente dominantes.
Es aquí donde entran en juego los cálculos que acaban de publicar los físicos de la Universidad Estatal de Pensilvania. Anteriormente, se habían propuesto diversas teorías sobre el destino al que se enfrentaría un supuesto «agujero negro de Planck». Los cálculos más aceptados indicaban que los últimos 22 microgramos restantes se evaporarían en el transcurso de aproximadamente un segundo. Pero los resultados descritos en el nuevo estudio son diferentes: el agujero negro de Planck se convertiría en un objeto extremadamente longevo, y comenzaría a emitir un nuevo tipo de radiación, denominada «purificadora» porque purifica el estado cuántico del universo, devolviendo la información atrapada más allá del horizonte de sucesos, que se habría perdido si el agujero negro se hubiera evaporado por completo.
¿La masa que falta?
De esta forma, los resultados resuelven una de las paradojas que surgen de la radiación de Hawking, ya que, según las leyes de la física, no debería ser posible borrar la información cuántica. Por lo tanto, el agujero negro de 22 microgramos se convertiría en un objeto estable que comenzaría a emitir radiación constante, tal como lo haría un hipotético agujero blanco.
En este punto, las predicciones de los investigadores estadounidenses se detienen: para estudiar con mayor profundidad la transición de un agujero negro primordial a un agujero blanco microscópico, se necesitaría una teoría de la gravedad cuántica, una unificación de la relatividad general y la mecánica cuántica que ha eludido a los físicos durante más de un siglo.
El modelo de la Universidad Estatal de Pensilvania sigue siendo teórico y está pendiente de revisión por pares, pero abre una vía fascinante para la astrofísica. La búsqueda de materia oscura, hasta ahora centrada en hipotéticas partículas elementales nunca detectadas, podría trasladarse a estas anomalías gravitacionales microscópicas. De ser así, significaría que la masa faltante del universo no es una partícula nueva, sino los restos de los primeros agujeros negros de la historia.
Artículo originalmente publicado en WIRED Italia. Adaptado por Alondra Flores.
