Este artículo fue extraído de la revista mensual Sciences et Avenir – La Recherche n°910, diciembre 2022.
¿Nuestro sistema solar alberga, en sus regiones más distantes, un agujero negro del tamaño de una pelota de tenis? En cualquier caso, esta es la hipótesis planteada muy seriamente por investigadores británicos y estadounidenses para explicar los muchos fenómenos incomprendidos del cinturón de Kuiper.
Esta vasta región de millones de cuerpos helados se extiende más allá de la órbita de Neptuno, entre 30 y 55 unidades astronómicas (UA, unidad astronómica correspondiente a la distancia Tierra-Sol, o unos 150 millones de kilómetros). El más conocido de estos objetos transneptunianos es el planeta enano Plutón, descubierto en 1930. Pero desde 1992 se han visto allí otros planetoides llamados Eris, Sedna, Hauméa, Makemake….
Y a medida que se acumulaban los descubrimientos, aumentaban los malentendidos de los científicos: de hecho, los modelos luchan por explicar ciertas órbitas excéntricas como la de Sedna, la agrupación de ciertos objetos o incluso trayectorias perpendiculares al disco planetario. Todas estas anomalías se vuelven más predecibles si insertamos un cuerpo masivo en el borde exterior del cinturón de Kuiper en los modelos.
Ya en 2014, científicos estadounidenses de la Carnegie Institution de Washington (Estados Unidos) plantearon la hipótesis de la presencia de un quinto planeta gigante de cinco a diez veces la masa de la Tierra, atravesándose a una distancia de 300 a 1000 UA. Llamado Planeta Nueve, este cuerpo celeste puede haber sido expulsado del sistema solar interior al principio de su formación.
En otras palabras, un planeta errante capturado por la atracción gravitatoria de nuestra estrella. Pero hasta ahora, no se ha encontrado ningún rastro de un noveno planeta. Esta invisibilidad se puede explicar si este cuerpo en realidad no es un planeta sino un agujero negro, una estrella por definición sigilosa porque no emite ninguna radiación…
Esta es la hipótesis de los astrofísicos Jakub Scholtz, de la Universidad de Durham, (Reino Unido) y James Unwin, de la Universidad de Illinois en Chicago (Estados Unidos). Un agujero negro cinco veces la masa de la Tierra tendría, por ejemplo, un diámetro del largo de un dedo índice, haciéndolo casi indetectable. Según los investigadores, la existencia de un objeto de este tipo también podría explicar un conjunto de anomalías gravitacionales observadas por Ogle (Optical Gravitational Lensing Experiment), un experimento de la Universidad de Varsovia (Polonia) para detectar microlentes gravitacionales.
Dos posibles interpretaciones de las anomalías detectadas
Estos fenómenos de curvatura de la luz ocurren cuando un objeto muy masivo en primer plano distorsiona y amplifica el brillo de las estrellas ubicadas detrás de él. “El experimento de Ogle registró seis eventos de microlentes ultracortos, que ocurrieron en marcos de tiempo de 0,1 a 0,3 días, explican Jakub Scholtz y James Unwin. Estos eventos corresponden al efecto de lente de objetos con masas entre 0,5 y 20 veces la de la Tierra. Pueden interpretarse como generados por una población desconocida de planetas rebeldes o agujeros negros primordiales. Según los investigadores, ambas hipótesis son igualmente probables.
Pero, ¿qué distingue a un agujero negro primordial de un agujero negro clásico? Tu origen. El agujero negro estándar, llamado astrofísico, resulta de la muerte de una estrella. Al final de su vida, cuando ha consumido todo su material radiactivo, la presión de radiación que dilataba su atmósfera disminuye. Entonces, la fuerza gravitatoria se apodera de ella y, si la estrella tiene una masa de al menos 1,4 veces la del Sol, colapsa sobre sí misma para formar un agujero negro. La mayoría de los agujeros negros estelares creados de esta manera exhiben una masa entre 5 y 10 veces mayor que la del Sol. Entonces crecen en tamaño agregando la materia circundante. Pero los modelos muestran que incluso si tal estrella evolucionara en un entorno rico en estrellas y gas, no podría superar las 1.000 masas solares dado el tiempo transcurrido desde el Big Bang.
¿Cómo explicar entonces los agujeros negros supermasivos, que se observan en casi todas las grandes galaxias, incluida la Vía Láctea, y que alcanzan millones o incluso miles de millones de veces la masa de nuestra estrella? La existencia de los llamados agujeros negros primordiales, teorizados en 1971 por los astrofísicos británicos Stephen Hawking y Bernard Carr, resuelve este enigma. Al menos en papel.
“Esta población de agujeros negros se habría formado unas pocas fracciones de segundo después del Big Bang, explica Vincent Vennin, investigador del Laboratorio de Física de la École Normale Supérieure de París. El Universo entonces estaba formado por un plasma, dentro del cual las fluctuaciones cuánticas formaron protuberancias, que dieron lugar a estrellas y galaxias… Las piezas más densas también podrían haber colapsado en agujeros negros. A diferencia de sus primos astrofísicos, no tienen restricciones de masa: los agujeros negros que pesan un gramo o un kilo podrían haberse formado poco después de la inflación. “Ya sea al final de la fase de expansión rápida que habría permitido que el Universo se expandiera considerablemente, entre 10-36 y 10-33 segundo después del Big Bang.
La física explica que existe una relación lineal entre la masa de los agujeros negros primordiales y el tiempo transcurrido desde el Big Bang: los agujeros negros creados al final de la inflación tendrían una masa de un gramo, mientras que los nacidos un segundo después del comienzo de la ¡El Universo exhibiría una masa 100.000 veces mayor que la del Sol!
“Las fluctuaciones cuánticas aparecieron aleatoria y homogéneamente, dice Vincent Vennin. Esto significa que los agujeros negros primordiales primero se distribuyen uniformemente. Pero luego se atraen, se juntan en paquetes, se fusionan. “Un proceso evolutivo que, a la escala de la edad del Universo, habría permitido alcanzar las masas de agujeros negros supermasivos anclados en el corazón de grandes galaxias.
Si el Universo primitivo realmente generó cohortes de agujeros negros de todos los tamaños, también podría explicar otro misterio en la cosmología, el de la “materia oscura”, que constituiría el 85% de toda la materia del Universo. Porque la materia visible por sí sola no explica la coherencia gravitatoria de las galaxias en rotación, cuyas estrellas, según las leyes de la física, deberían dispersarse por la fuerza centrífuga.
Una sustancia de naturaleza desconocida, por tanto, parece estar concentrada en el halo exterior de las galaxias, esa región fronteriza que se extiende más allá de los últimos poblados de viejas estrellas y cúmulos globulares relegados a los suburbios galácticos. La importancia de la materia oscura supuestamente concentrada en este halo permite explicar la velocidad de rotación de las galaxias. ¿Pero de qué está hecho? Agujeros negros primordiales, propuestos por varios físicos en la década de 1990. Esta hipótesis se abandonó a principios de la década de 2000, a favor de la búsqueda de partículas exóticas en particular. Una búsqueda que ha quedado en vano hasta el día de hoy.
Además, cuando en 2015 los observatorios Ligo y Virgo, ubicados respectivamente en Estados Unidos e Italia, detectaron por primera vez ondas gravitacionales generadas por la fusión de dos agujeros negros, los primordiales experimentaron un renovado interés. “Durante mucho tiempo, los agujeros negros se consideraron objetos exóticos, y los agujeros negros primordiales agregaron exotismo a lo exótico, enfatiza Vincent Vennin. Ahora que hemos logrado probar su existencia, no sabemos si estamos en presencia de agujeros negros astrofísicos o primordiales. 🇧🇷
A día de hoy, se han caracterizado más de 100 agujeros negros gracias a las ondas de energía emitidas durante su fusión y que viajan hacia nosotros en el marco del espacio-tiempo, como ondas sobre la superficie del agua. Pero estos objetos intrigan a los científicos. “Esperábamos encontrar agujeros negros de 10 a 15 veces la masa del Sol, explica Sébastien Clesse, físico de la Universidad Libre de Bruselas (Bélgica). Sin embargo, detectamos objetos de 30, 40 e incluso 100 masas solares, lo que está prohibido por los modelos de supernova. Y el giro, el giro intrínseco, de los agujeros negros observados es cercano a cero, lo que se espera de un agujero negro primordial… 🇧🇷
Las semillas de las primeras estrellas y galaxias
La única forma de estar seguro sería mirar un agujero negro de menos de 1,4 veces el del Sol, un objeto imposible de crear a partir de una estrella. Los instrumentos actuales no son lo suficientemente sensibles y habrá que esperar a la puesta en marcha, prevista para 2034, del interferómetro láser espacial europeo Lisa. Además, los agujeros negros formados en los primeros segundos del Universo pueden haber sido las semillas de las primeras estrellas y galaxias.
Estos “motores” gravitacionales habrían acelerado así el colapso de las nubes de polvo y gas que llenaron el Universo durante el primer millón de años después del Big Bang. De ser así, estos episodios podrían ser vistos por el nuevo Telescopio Espacial James-Webb (JWST) de la NASA, en órbita desde el 25 de diciembre de 2021. En cuanto a nuestro diminuto agujero negro en el Sistema Solar, podría traicionar su presencia si ingiere alguna materia. en el futuro, un evento lamentablemente raro en estas regiones frías y desérticas del cinturón de Kuiper.
Cuando los agujeros negros se evaporan
Para en todo momento se crean en el Universo pares de partículas y antipartículas que inmediatamente se aniquilan entre sí. Pero en la frontera de un agujero negro, las cosas pueden desarrollarse de manera diferente. Esta estrella densa en realidad dobla el espacio-tiempo tan extremadamente que crea un horizonte.
Cuando se crea un par partícula-antipartícula en este límite, un miembro del par puede ser absorbido por el agujero negro, mientras que el otro miembro se aleja de él. Dado que la aniquilación ya no es posible, el agujero negro emite radiación, lo que hace que pierda masa gradualmente.
Este fenómeno de evaporación es casi imperceptible para un agujero negro muy masivo, pero puede conducir a la desaparición completa de agujeros negros más ligeros. Desde el Big Bang, hace 13.700 millones de años, todos los agujeros negros primordiales con una masa inferior a 1011 kg ya se han evaporado. Los agujeros negros menos masivos que quedan hoy (1012 kg) tienen la masa de una montaña comprimida en el volumen de un núcleo atómico de hidrógeno!
“Fue para probar este fenómeno de evaporación, llamado ‘radiación de Hawking’, que el físico británico Stephen Hawking teorizó sobre la existencia de agujeros primordiales de muy baja masa. “, señala Sébastien Clesse, físico de la Universidad Libre de Bruselas (Bélgica). Observar la evaporación de los agujeros negros sería una forma sólida de probar la existencia de agujeros negros primordiales.
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