Agujeros negros tan antiguos como el mismo universo: los primordiales

Hace mucho, mucho tiempo, cuando la Tierra ni siquiera se había formado, dos agujeros negros chocaron entre sí. Esa colisión dejó una huella que miles de millones de años después pudimos medir. El fenómeno podría haber pasado desapercibido completamente si hubiese ocurrido tan solo una decena de años antes, un tiempo insignificante en la escala de tiempo de la que estamos hablando. Pero ocurrió que la deformación del espacio-tiempo que generó ese evento catastrófico pasaba por la Tierra cuando LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ya estaba preparado para poder tomar cuenta de ello. Hablamos del año 2016 y fue la primera detección de ondas gravitatorias.

Si todo esto no es de por sí ya sorprendente, veamos un poco más. Como ocurre a menudo en ciencia, este nuevo descubrimiento vino a sacudir un poco lo que ya sabíamos. Los agujeros negros resultaron tener masas peculiares, de entre 30 y 35 veces la masa del Sol. Como estos monstruos gravitatorios son más grandes de lo que se esperaba se sugirió que representaban una clase especial y novedosa. Y se abrió una posibilidad fascinante: que se hubiesen formado cuando el universo tenía menos de un segundo. Sí, he dicho un segundo. Como en un segundo al universo no le había dado tiempo a formar estrellas, estamos hablando de agujeros negros primordiales y aunque no exista ninguna evidencia de que existan, llevan en la brecha más de 50 años, entre otras cosas porque serían los únicos que se pueden formar con masas tan pequeñas como para poder evaporarse en la edad del universo.

Los agujeros negros primordiales abren una serie de avenidas fascinantes en física. Poco después del Big Bang, en el universo temprano, las condiciones de presión y temperatura eran tan extremas que en principio cualquier pedazo del universo en un instante determinado podría implosionar consigo mismo para formar agujeros negros de cualquier tamaño. El aumento de la densidad de energía juega aquí un papel fundamental e implica que se puedan formar en un periodo extendido y producir en un enorme rango de masas. Los que se forman en el tiempo de Planck (el cronón, el tiempo más pequeño que se puede medir) tendrían la masa de Planck (unas 10 veces la masa del Archegozetes longisetosus, un ácaro tropical), mientras que los que se forman un segundo después del Big Bang podrían tener casi la masa de los monstruosos agujeros negros que habitan el centro de la mayor parte de las galaxias (cientos de miles de veces la masa del Sol).

El cosmos ha perdido la capacidad, si alguna vez la tuvo, de generar agujeros negros de esta forma. Los que se forman ahora nunca pueden ser más pequeños que la masa de nuestro Sol. En nuestro Universo local, eso quiere decir ahora, para hacer un agujero negro primero hay que hacer una estrella con masa al menos diez veces la masa del Sol y esperar unos millones de años. Es entonces cuando sus capas externas se vierten al medio interestelar en una explosión de supernova mientras que su núcleo implosiona, ya que no puede detener por reacciones nucleares aquello con lo que lleva toda la vida luchando: la gravedad. En estos objetos la masa del agujero negro depende de la masa de la estrella que la crea y en estrellas binarias de rayos-X los agujeros negros que se detectan tienen masas entre 2-15 veces la masa del Sol.

El primer descubrimiento de LIGO implicaba que si los agujeros negros se habían formado por el colapso de las estrellas como acabamos de describir, estas tenían que haber empezado con al menos 100 veces la masa del Sol. Esas son estrellas muy grandes y en el universo local hay muy pocas. Pero hace mucho, cuando todavía no había muchos ingredientes para enfriar la materia y estaba colapsando en las primeras estrellas, es posible y de hecho se espera que se formasen estructuras mucho más grandes que las de ahora. De hecho, 2 años antes de su detección se predijo la población de masas de agujeros negros observada por LIGO. En una frase: las estrellas que explotaron como supernova hace mucho, mucho tiempo eran muy muy grandes. Y esta, señoras y señores, es la teoría comúnmente aceptada para explicar las observaciones de LIGO.

Pero vamos a otra posibilidad que es la que tenemos hoy entre manos, la existencia de otro mecanismo de formación para estas estructuras, los agujeros negros primordiales. Una de las razones por las que este tipo de agujeros negros primitivos, o primarios, lleven en la brecha tanto tiempo es que solo ellos pueden ser lo suficientemente pequeños para evaporarse por radiación de Hawking (si, la que predijo el famoso físico Stephen Hawking). Otra razón es que como hemos dicho antes, pueden formarse de cualquier tamaño.

Este es un concepto extraño, el de la evaporación de un agujero negro, cuando lo que les define es que nada puede escapar de sus fauces gravitatorias. Pues bien, eso depende, los agujeros negros solo son casi negros totalmente si son grandes. Los más pequeños pierden energía a partir de ese fenómeno que unifica la relatividad general, termodinámica y la mecánica cuántica y que implica que ahora mismo, si se formó con el Big Bang de un agujero negro primordial con menos de mil millones de toneladas (que es el tamaño de un asteroide) ya no existe. Ya no queda nada, se ha, literalmente, evaporado.

Otra de las razones por las que los agujeros negros primordiales son tan fascinantes es que hay muchas teorías para generarlos: inflación, universos en colisión, etc. La cuestión es que si se formaron en el universo primitivo se tuvieron que formar a raudales, estaríamos viviendo en un universo atiborrado de ellos y sería muy difícil reconciliar lo que vemos a día de hoy con su existencia. De hecho estos diminutos agujeros negros, que podrían tener el tamaño de una pelota de tenis, se han propuesto para explicar al hipotético planeta 9. Pero todas esas posibilidades exóticas las dejamos para otra entrega.

Eva Villaver es investigadora del Centro de Astrobiología, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA).

Vacío Cósmico es una sección en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista científico sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de 1 átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La sección la integran Pablo G. Pérez González, investigador del Centro de Astrobiología; Patricia Sánchez Blázquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiología.

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