Hallazgo: los agujeros negros y sus explosiones pueden revelar los cimientos del universo

Los astrofísicos han creído durante mucho tiempo que los agujeros negros explotan al final de sus vidas, y que tales explosiones ocurren, como máximo, solo una vez cada 100.000 años, indica un reciente hallazgo, recientemente revelado por una universidad de Estados Unidos.

Sin embargo, un nuevo estudio publicado en Physical Review Letters por físicos de la Universidad de Massachusetts Amherst ha hallado una probabilidad superior al 90% de que una de estas explosiones de agujeros negros pueda observarse en los próximos di< años, y que, si estamos preparados, nuestra flota actual de telescopios espaciales y terrestres podría presenciar el evento.

Dicha explosión constituiría una prueba contundente de un tipo de agujero negro teorizado, pero nunca observado, llamado "agujero negro primordial", que podría haberse formado menos de un segundo después del Big Bang, hace 13.800 millones de años.

Además, la explosión nos proporcionaría un catálogo definitivo de todas las partículas subatómicas existentes, incluyendo las que hemos observado, como electrones, quarks y bosones de Higgs; aquellas sobre las que solo hemos hipotetizado, como las partículas de materia oscura, así como todo lo demás que, hasta ahora, es completamente desconocido para la ciencia. Este catálogo respondería finalmente a una de las preguntas más antiguas de la humanidad: ¿de dónde proviene todo lo que existe?

Los agujeros negros, foco de los estudios

Sabemos que los agujeros negros existen y comprendemos bien su ciclo de vida: una estrella vieja y grande agota su combustible, implosiona en una supernova masiva y deja tras de sí una zona de espacio-tiempo con una gravedad tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Estos agujeros negros son increíblemente pesados y esencialmente estables, indica el estudio.

Pero, como señaló el físico Stephen Hawking en 1970, otro tipo de agujero negro -un agujero negro primordial (PBH por sus siglas en inglés)- podría crearse no por el colapso de una estrella, sino a partir de las condiciones primordiales del universo poco después del Big Bang. Los PBH, al igual que los agujeros negros estándar, son tan densos que casi nada puede escapar de ellos, lo que los convierte en "negros".

Sin embargo, a pesar de su densidad, los PBH podrían ser mucho más ligeros que los agujeros negros que hemos observado hasta ahora. Además, Hawking también demostró que los agujeros negros tienen temperatura y, en teoría, podrían emitir partículas lentamente mediante lo que ahora se conoce como "radiación de Hawking" si se calientan lo suficiente.

"Cuanto más ligero sea un agujero negro, más caliente debería estar y más partículas emitirá. A medida que los PBH se evaporan, se vuelven cada vez más ligeros y, por lo tanto, más calientes, emitiendo aún más radiación en un proceso descontrolado hasta la explosión. Es esa radiación de Hawking la que nuestros telescopios pueden detectar", afirma en un comunicado Andrea Thamm, coautora y profesora adjunta de física en UMass Amherst.

Sin embargo, aunque deberíamos poder hacerlo, nadie ha observado directamente un PBH.

Los telescopios actuales

"Sabemos cómo observar esta radiación de Hawking", afirma en un comunicado Joaquim Iguaz Juan, investigador postdoctoral en física en UMass Amherst. "Podemos verla con nuestros telescopios actuales, y dado que los únicos agujeros negros que pueden explotar hoy o en un futuro próximo son estos PBH, sabemos que si vemos radiación de Hawking, estamos viendo un PBH en explosión".

Aunque desde la época de Hawking los físicos han considerado que las probabilidades de ver un PBH en explosión son infinitesimalmente bajas, Iguaz Juan señala que "nuestra labor como físicos es cuestionar las suposiciones establecidas, formular mejores preguntas y elaborar hipótesis más precisas".

La nueva hipótesis del equipo plantea que hay que prepararse para ver la explosión. "Creemos que existe una probabilidad de hasta el 90 % de presenciar la explosión de un agujero negro primario en los próximos 10 años", afirma Aidan Symons, uno de los coautores del artículo y estudiante de posgrado de física en UMass Amherst.

En su trabajo, el equipo explora un "modelo de juguete de QED (Electro Dinámica Cuñantica) oscuro". Este es esencialmente una copia de la fuerza eléctrica habitual tal como la conocemos, pero que incluye una versión hipotética muy pesada del electrón, al que el equipo denomina "electrón oscuro".

El equipo reconsideró las suposiciones sostenidas durante mucho tiempo sobre la carga eléctrica de los agujeros negros. Los agujeros negros estándar no tienen carga, y se asumía que los agujeros negros primarios también son eléctricamente neutros.

Suposición diferente

"Nosotros partimos de una suposición diferente", afirma Michael Baker, coautor y profesor adjunto de física en UMass Amherst. "Demostramos que si un agujero negro primordial se forma con una pequeña carga eléctrica oscura, el modelo de juguete predice que debería estabilizarse temporalmente antes de explotar finalmente". Teniendo en cuenta todos los datos experimentales conocidos, concluyen que podríamos observar una explosión de PBH no cada 100.000 años, como se creía anteriormente, sino cada 10 años, según el hallazgo.

"No afirmamos que vaya a ocurrir con certeza en esta década", afirma Baker, "pero podría haber un 90 % de probabilidades de que así sea. Dado que ya contamos con la tecnología para observar estas explosiones, deberíamos estar preparados".

Iguaz Juan añade: "Esta sería la primera observación directa de la radiación de Hawking y de un PBH. Además, obtendríamos un registro definitivo de cada partícula que compone el universo. Revolucionaría por completo la física y nos ayudaría a reescribir la historia del universo".