Agujeros negros primordiales: qué son y por qué importan

Cerca del 27% del universo está compuesto por algo que no podemos ver, detectar directamente ni explicar con certeza: la materia oscura. Entre las hipótesis más sólidas para explicar qué es esa materia está una que lleva décadas rondando la cosmología: los agujeros negros primordiales. No son producto del colapso de estrellas. Nacieron en el primer segundo del universo, cuando la densidad del cosmos era tan extrema que pequeñas fluctuaciones de materia bastaron para colapsar en objetos de gravedad irresistible.

Este artículo explica qué son, cómo se habrían formado, cuál es su relación con la materia oscura y por qué los físicos siguen buscando evidencias de su existencia.

Qué son los agujeros negros primordiales

Un agujero negro primordial (PBH, por sus siglas en inglés) es un tipo hipotético de agujero negro que no se originó del colapso gravitatorio de una estrella masiva, el mecanismo más conocido de formación. Según la Wikipedia y fuentes de física teórica, fueron propuestos por primera vez por los físicos rusos Yakov Zeldovich e Igor Novikov, y su viabilidad fue desarrollada en profundidad por Stephen Hawking y Bernard Carr en 1974.

La idea central es esta: durante los primeros instantes tras el Big Bang, la temperatura y presión del universo eran extremadamente elevadas. En ese contexto, simples fluctuaciones en la densidad de la materia podían generar regiones lo suficientemente densas como para colapsar directamente en agujeros negros, sin pasar por la etapa estelar.

Cómo se diferencian de los agujeros negros ordinarios

Los agujeros negros que conocemos mejor se forman cuando una estrella de entre 10 y 25 veces la masa del Sol agota su combustible y colapsa. Según la UNAM, los agujeros negros estelares pesan entre 2 y alrededor de 150 masas solares, mientras que los supermasivos pueden alcanzar miles de millones de masas solares y residen en los centros galácticos.

Los PBH son distintos en origen y escala. Su masa podría ser mucho menor que la de cualquier estrella: la teoría permite agujeros negros primordiales de masa equivalente a la de un asteroide. Esa flexibilidad de masa es, precisamente, uno de los factores que los hace tan interesantes para la cosmología.

El papel de la radiación de Hawking

Aquí aparece una complicación importante. Los agujeros negros no son del todo eternos: pierden masa lentamente a través de lo que se conoce como radiación de Hawking, un mecanismo propuesto por Stephen Hawking en la década de 1970. Los PBH de masa muy pequeña se habrían evaporado por completo antes de llegar al presente.

Eso fija un límite mínimo de masa. Según datos de Wikipedia, la masa mínima estimada para que un PBH haya sobrevivido hasta hoy corresponde aproximadamente a 10¹⁵ gramos, es decir, alrededor de la masa de un asteroide mediano. Los que están por debajo de ese umbral ya no existen.

Agujeros negros primordiales y materia oscura

Este es el núcleo del debate científico actual. Solo el 5% del universo está compuesto por materia ordinaria: átomos, moléculas, todo lo que podemos ver y medir. El 95% restante permanece sin explicación directa. De ese total, aproximadamente un 27% corresponde a materia oscura: algo que no emite luz ni interactúa con el espectro electromagnético, pero que sí ejerce atracción gravitatoria.

Los PBH son candidatos especialmente atractivos para explicar la materia oscura por una razón simple: no requieren la existencia de partículas nuevas. Otras hipótesis, como los WIMPs (partículas masivas de interacción débil), exigen modificar el modelo estándar de física de partículas. Los agujeros negros primordiales, en cambio, son objetos puramente gravitacionales que encajan dentro de la física conocida.

La ventana de masas de asteroide

No cualquier rango de masa funciona. Los físicos han ido cerrando las posibilidades mediante distintos mecanismos de restricción. La producción de rayos gamma durante la evaporación de PBH, por ejemplo, permite estimar cuántos pueden existir sin contradecir observaciones actuales.

Según los datos de Wikipedia sobre PBH, existe una "ventana abierta" que corresponde a masas equivalentes a las de asteroides, aproximadamente entre 10¹⁷ y 10²³ gramos. En ese rango, los agujeros negros primordiales podrían constituir la totalidad de la materia oscura sin violar ninguna observación existente. El límite superior está definido por la ausencia de eventos de microlente gravitacional en observaciones del Subaru Hyper Supreme-Cam (HSC).

El infrarrojo cósmico y el telescopio James Webb

En diciembre de 2021, un estudio publicado por Nico Cappelluti, Günther Hasinger y Priyamvada Natarajan sugirió que el modelo de los PBH podría ayudar a explicar la radiación infrarroja de fondo del universo. El lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb, ocurrido ese mismo mes, abrió la posibilidad de obtener nuevas evidencias que refuercen o descarten esta hipótesis.

El James Webb observa el universo en infrarrojo con una sensibilidad sin precedentes. Si los PBH contribuyeron significativamente a la historia temprana del cosmos, sus efectos deberían dejar huellas detectables en la distribución de materia y en la emisión de fondo que ese telescopio puede mapear.

Cómo se forman: el mecanismo detrás del colapso primordial

Durante la era de la radiación, que ocurrió en los primeros segundos tras el Big Bang, el universo era un plasma denso y caliente. Las fluctuaciones cuánticas en la densidad de ese plasma no eran uniformes. Donde la densidad superaba cierto umbral crítico, la región colapsaba antes de que la expansión del universo pudiera dispersarla.

La diferencia entre un colapso que forma un PBH y uno que no lo hace depende de la escala de la fluctuación y de su amplitud. Las fluctuaciones que generaron los PBH habrían sido inusualmente grandes en escalas pequeñas, algo que los modelos inflacionarios estándar no predicen directamente. Por eso los PBH requieren potenciales inflacionarios que se alejan de los modelos tradicionales en escalas pequeñas, como señala la literatura especializada.

Colapso directo versus colapso energético

Existe una distinción técnica relevante: el colapso directo implica el colapso de regiones de gas inusualmente densas en períodos posteriores a la era de la radiación. La formación de un PBH propiamente dicho ocurre durante la era de la radiación o la era inflacionaria, cuando lo que colapsa no es gas sino materia ionizada, energía, o ambas.

La física de ese colapso inicial sigue siendo objeto de investigación. Aspectos como si el colapso es brusco o gradual ("smooth vs sharp") todavía están bajo estudio activo.

Por qué importan más allá de la materia oscura

Los PBH son relevantes por varias razones que van más allá de explicar la materia oscura. Primero, si existieron en grandes cantidades, habrían influido en la nucleosíntesis primordial, es decir, en la proporción de elementos ligeros que se formaron en los primeros minutos del universo.

Segundo, su evaporación mediante radiación de Hawking produce rayos gamma. La ausencia de un exceso detectado de esos rayos gamma en observaciones actuales es precisamente uno de los argumentos para restringir cuántos PBH pueden existir y en qué rango de masas.

Tercero, si los PBH son suficientemente masivos, podrían fundirse y crecer, eventualmente convirtiéndose en las semillas de los agujeros negros supermasivos que hoy observamos en los centros de las galaxias. Es una hipótesis que conecta la cosmología del universo temprano con las estructuras galácticas actuales.

Estado actual de la investigación

La investigación con el James Webb, combinada con observaciones de ondas gravitacionales del consorcio LIGO-Virgo y datos de microlentes, está acotando progresivamente las posibilidades. No hay confirmación definitiva. Pero tampoco descarte definitivo.

Preguntas frecuentes

¿Los agujeros negros primordiales están confirmados?

No. Son un objeto hipotético. No existe evidencia directa de su existencia hasta la fecha. Sin embargo, tampoco han sido descartados, y hay ventanas de masa donde son perfectamente compatibles con todas las observaciones disponibles.

¿Cuánto tiempo llevan siendo estudiados?

La propuesta formal de Zeldovich y Novikov data de los años 60. Hawking y Carr desarrollaron el marco teórico en 1974. Llevan casi cinco décadas siendo candidatos activos para explicar la materia oscura.

¿Podrían los PBH estar cerca de la Tierra?

Si existen en el rango de masas de asteroide, serían objetos extremadamente pequeños (del tamaño de una partícula subatómica pese a su masa) y extraordinariamente difíciles de detectar. No representan ningún riesgo conocido.

¿Qué diferencia hay entre materia oscura y agujeros negros primordiales?

La materia oscura es el nombre que se da al componente desconocido del universo que produce efectos gravitacionales sin emitir luz. Los PBH son una de las hipótesis para explicar qué es esa materia oscura, junto con WIMPs, axiones y otras partículas teóricas.

¿El telescopio James Webb puede detectar PBH directamente?

No directamente. Pero puede detectar sus efectos indirectos: distribución de materia en el universo temprano, anomalías en el infrarrojo cósmico de fondo, y posiblemente estructuras que solo se explican si los PBH existieron en número significativo.