Misteriosos agujeros negros pueden ser pistas sobre la materia oscura

¿Sabías que por cada kilogramo de materia visible en el universo, hay 5 kilogramos de materia invisible?

Esta misteriosa «materia oscura» no se puede ver directamente, pero sabemos que está ahí debido a su atracción gravitacional sobre los objetos visibles.

Hace cincuenta años, el físico Stephen Hawking tuvo una idea audaz: la materia oscura podría estar formada por pequeños agujeros negros que se formaron poco después del Big Bang.

Estos agujeros negros «primordiales» serían mucho más pequeños que los masivos que conocemos hoy. Se habrían formado en la primera cuantillonésima de segundo después del Big Bang y luego se habrían extendido por todo el universo.

Ahora, los científicos del MIT han descubierto que estos pequeños agujeros negros primordiales pueden haber tenido algunos compañeros sorprendentes: agujeros negros aún más pequeños con una propiedad inusual llamada «carga de color».

Estos agujeros negros supercargados habrían sido un nuevo estado de la materia, probablemente se evaporarían una fracción de segundo después de su formación. Sin embargo, aún podrían haber influido en acontecimientos clave del universo primitivo, como la formación de los primeros núcleos atómicos.

«Incluso si estos seres exóticos de corta vida no existieran hoy en día, podrían haber afectado la historia cósmica de maneras que hoy se pueden ver en signos sutiles», dice David Kaiser, profesor de física en el MIT.

Kaiser y su coautora, la estudiante graduada del MIT Elba Alonso-Monsalve, publicaron su estudio en la revista Physical Review Letters.

Tiempo antes de las estrellas

Los agujeros negros que conocemos hoy se forman cuando estrellas masivas colapsan, creando regiones tan densas que ni siquiera la luz puede escapar. Estos agujeros negros «astrofísicos» pueden tener muchas veces la masa de nuestro sol.

Por el contrario, se cree que los agujeros negros primordiales se formaron antes de que existieran las estrellas. Los científicos creen que bolsas de materia ultradensa en el universo primitivo pueden haberse colapsado para formar estos pequeños agujeros negros. Estos agujeros negros microscópicos pueden ser tan densos como un asteroide metido en un espacio tan pequeño como un átomo. Su atracción gravitacional puede explicar la materia oscura que hoy no podemos ver.

¿Pero de qué estaban hechos estos agujeros negros primordiales? Kaiser y Alonso-Monsalve abordaron esta cuestión en su nuevo estudio.

«La gente estudió la distribución de las masas de los agujeros negros en el universo primitivo, pero nadie la había relacionado con qué tipo de materia había caído en esos agujeros negros en el momento en que se estaban formando», explica Kaiser.

Agujeros negros supercargados

Los físicos del MIT examinaron por primera vez las teorías sobre la probable distribución de las masas de los agujeros negros 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».

Calcularon que los agujeros negros primordiales debieron haberse formado en la primera quintillón de segundo después del Big Bang. Este breve momento habría producido los típicos agujeros negros microscópicos, así como otros más pequeños con la masa de un rinoceronte pero mucho más pequeños que un solo protón.

¿De qué están hechos estos agujeros negros primordiales? Para averiguarlo, los investigadores observaron la composición del universo primitivo, centrándose en la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD). QCD estudia cómo interactúan los quarks y los gluones (los componentes básicos de los protones y neutrones).

Justo después del Big Bang, el universo era un plasma caliente de quarks y gluones. Cualquier agujero negro que se formara se tragaría estas partículas, junto con su «carga de color», una propiedad única de los quarks y gluones.

Utilizando la teoría QCD, los investigadores determinaron la distribución de la carga de color en el plasma primitivo. Descubrieron que la mayoría de los agujeros negros típicos tienen una carga de color neutro porque han absorbido una mezcla de regiones.

Pero los agujeros negros más pequeños estarían llenos de carga de color, conteniendo la cantidad máxima permitida por la física.

Estos agujeros negros supercargados se evaporarían rápidamente, pero podrían haber existido el tiempo suficiente para influir en la formación de los primeros núcleos atómicos, que comenzó aproximadamente un segundo después del Big Bang. Esta influencia puede haber dejado rastros que se pueden encontrar en el universo primitivo.

«Estos objetos podrían haber dejado interesantes huellas de observación», opina Alonso-Monsalve. «Podrían haber cambiado el equilibrio entre esto y aquello, y ese es el tipo de cosas sobre las que uno podría empezar a preguntarse».

Los hallazgos abren nuevas posibilidades para comprender la misteriosa materia oscura y el universo primitivo.

Fuente: MIT.