Agujeros negros primordiales del tamaño de un átomo: lo que sugiere la nueva evidencia experimental

_{Interpretación artística de un agujero negro primordial formado en los primeros momentos del Big Bang. Crédito: NASA / G. Bacon (STScI)}

Desde los tiempos más remotos, los seres humanos han querido explicar los fenómenos más impredecibles y perturbadores del universo. Si bien el estudio de la astronomía ha sido una constante en todas las civilizaciones, los eventos astronómicos de naturaleza más “impredecible”, como los cometas o los eclipses, fueron considerados un “presagio de desgracia” y / o “acciones de los dioses”.

La caída del rey sajón Harold II en 1066, durante la invasión normanda de Guillermo el Conquistador, se atribuyó al mal augurio del paso de un cometa (más tarde bautizado como “Halley”). Y durante la batalla de Simancas (Valladolid, España) entre las tropas de León Ramiro II y el califa Ad al-Rahman en 939, un eclipse solar total provocó el pánico entre las tropas de ambos bandos, retrasando la batalla durante varios días .

¿Cómo habrían reaccionado, entonces, nuestros antepasados ante la existencia en el universo de objetos, los llamados agujeros negros, capaces de tragarse todo lo que cayera en ellos, incluida la luz?

Si bien los agujeros negros más grandes ya se han detectado e incluso fotografiado , ahora también hay evidencia factible, como muestro en mi estudio reciente , de pequeños agujeros negros del tamaño de átomos de potasio (con un radio de aproximadamente 0,23 nanómetros, equivalente a 0,23 mil millonésimas de un metro). Estos agujeros negros de tamaño atómico se formaron en los primeros momentos del Big Bang y pueden incluso comprender la totalidad de la materia oscura del universo.

Tomando fotos

En 2019, una colaboración de ocho radiotelescopios ubicados en diferentes partes del mundo logró tomar la primera foto de un gigantesco agujero negro (6.500 millones de veces más masivo que nuestro Sol). Se encuentra a unos 55 millones de años luz de nosotros (un año luz que corresponde a una distancia de unos 9,5 billones de kilómetros) en el centro de la galaxia Messier 87.

La cursiva de la palabra fotografía no es casual: ¿cómo se puede fotografiar un objeto que capta la luz y, por tanto, no podría ser visto por las cámaras, que utilizan la luz para crear una imagen? La respuesta es simple: no estamos observando el objeto en sí, sino los restos de una estrella que están siendo tragados por estos agujeros negros.

Esta materia estelar gira a enormes velocidades alrededor del agujero negro y su brillo se puede detectar cuando alcanza temperaturas del orden de un millón de grados centígrados. El disco de materia que rodea al agujero negro se llama «disco de acreción» y se considera el borde del agujero negro; una vez que se pasa, nada puede escapar, algo que llamamos horizonte de eventos .

_{Imagen de un agujero negro supermasivo ubicado en el centro de la galaxia M87. Crédito: Colaboración EHT}

En la imagen de arriba puede ver el disco de acreción y el horizonte de eventos del agujero negro ubicado en M87.

Agujeros negros primordiales

Partes significativas de los agujeros negros en el universo se formaron por el colapso gravitacional de estrellas que consumían todo su combustible en sus etapas finales: estos se denominan «agujeros negros estelares». No todas las estrellas se convertirán en agujeros negros al final de su vida; cuando el núcleo de una estrella tiene menos de dos o tres masas solares , no se puede crear un agujero negro estelar.

Es decir, existe una masa estelar mínima por debajo de la cual una estrella no puede colapsar en un agujero negro. Por ejemplo, nuestro Sol nunca se convertirá en un agujero negro al final de su vida, pero otras estrellas masivas como la supergigante roja Betelgeuse inevitablemente se convertirán en agujeros negros.

También existen otros agujeros negros denominados agujeros negros «primitivos» o «primordiales», que, como su nombre indica, fueron creados en los primeros momentos del Big Bang, cuando el universo comenzó, y teóricamente pueden poseer cualquier masa. Pueden variar en tamaño desde una partícula subatómica hasta varios cientos de kilómetros.

Y cuando se trata de agujeros negros, los supermasivos prácticamente no emiten radiación, mientras que los más pequeños emiten la mayor cantidad de radiación. Pero, ¿cómo es posible este fenómeno: agujeros negros supermasivos que prácticamente no emiten radiación y atrapan todo, incluso la luz?

La respuesta fue proporcionada por el físico Stephen Hawking a mediados de la década de 1970. Postuló que los efectos cuánticos cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro podrían producir la emisión de partículas que podrían escapar de él. Es decir, los agujeros negros que no ganan masa por ningún otro medio irán perdiendo masa progresivamente y finalmente se evaporarán .

Esta radiación de Hawking es más evidente en los agujeros negros de baja masa: el tiempo de evaporación de un agujero negro supermasivo de un millón de masas solares es de 36 × 10 elevado a 91 segundos (mucho más que la edad actual del universo).

Por otro lado, un agujero negro con una masa equivalente a un barco de 1.000 toneladas se evaporaría en unos 46 segundos .

En las últimas etapas de la evaporación de un agujero negro, explotarían y generarían una gran cantidad de rayos gamma (una radiación incluso más intensa que los rayos X).

Capturando un agujero negro primordial de tamaño atómico

Entonces, ¿cómo se pueden evidenciar los agujeros de tamaño atómico antes de que se evaporen por completo?

En el estudio reciente de agujeros negros de tamaño atómico, se propone un escenario astrofísico en el que uno de estos pequeños agujeros negros es capturado por uno supermasivo. A medida que el agujero negro de tamaño atómico se acerca al horizonte de sucesos del supermasivo, la fracción de radiación de Hawking que podría detectarse desde la Tierra disminuye gradualmente, hasta alcanzar el tamaño de un rayo de luz.

La siguiente animación muestra el proceso anterior con más detalle.

_{La captura de un agujero negro primordial de tamaño atómico por un agujero negro supermasivo.}

Este haz es compatible con los estallidos térmicos de rayos gamma (GRB) ya medidos en observatorios astronómicos. Son estos GRB los que constituyen una evidencia experimental de estos diminutos agujeros negros, que son serios candidatos para la materia oscura de un universo fascinante y aún inexplorado.

Escrito por Oscar del Barco Novillo, Profesor asociado en el área de Óptica, Universidad de Murcia.

Este artículo se publicó por primera vez en The Conversation .