¿Cómo podríamos detectar agujeros negros primitivos del tamaño de un átomo?

• Cuando una estrella masiva agota su combustible, su núcleo colapsa y crea un agujero negro de origen estelar
• Existe otro tipo de agujeros negros cuyo origen no es estelar: se trata de los agujeros negros primordiales o primitivos
• ¿Cómo podemos ver un agujero negro?, el misterio más grande del Universo
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Interpretación artística de una concentración de agujeros negros de pequeño tamaño en el centro de la galaxia NGC 6397.

Una de las predicciones más sorprendentes de la teoría general de la relatividad de Einstein es la existencia de los agujeros negros: unas regiones del espacio con tan intensa atracción gravitatoria que ni siquiera la luz puede escapar de ellos.

Cuando una estrella lo suficientemente masiva agota todo su combustible y su núcleo colapsa sobre sí mismo, el resultado final es un agujero negro de origen estelar. Su masa oscila entre 3 y 100 veces la de nuestro Sol.

Por otro lado tenemos los agujeros negros supermasivos, monstruos con masas de millones de soles. Cabe destacar las observaciones de dos de estos gigantes: uno en el centro de la galaxia M87 y el más reciente en el centro de nuestra Vía Láctea (Sagitario A*).

La siguiente animación muestra una comparativa en tamaño de ambos agujeros negros supermasivos:

Sin embargo, existe otro tipo de agujeros negros cuyo origen no es estelar: se trata de los agujeros negros primordiales o primitivos.

Formados en los primeros instantes del universo por el colapso de regiones extremadamente densas, estos agujeros negros pueden poseer masas mucho menores que la de nuestro Sol.

Recreación de un agujero negro primordial. NASA/ESA and G. Bacon (STScI)

A modo de ejemplo, un agujero negro primordial con una masa equivalente al monte Everest tendría el tamaño aproximado de un átomo.

Estos agujeros negros diminutos pierden masa a un ritmo mucho mayor que sus compañeros más masivos y emiten la denominada radiación de Hawking hasta evaporarse por completo.

Hasta la fecha no ha sido posible detectar estos agujeros negros primordiales. Se trata de una tema de intenso estudio en la actualidad, dado que se supone que estos objetos ultracompactos podrían formar parte de la tan buscada materia oscura del universo.

En un reciente estudio se propone un escenario alternativo para la detección de tales agujeros negros de tamaño atómico. En dicha investigación se estudia la señal característica de la interacción entre uno de estos agujeros negros y uno de los objetos más densos del universo: una estrella de neutrones.

Pero, antes de abordar con detalle este nuevo modelo astrofísico, expliquemos qué es una estrella de neutrones.

Estrellas de neutrones: uno de los objetos más densos del universo

Cuando una estrella masiva agota todo su combustible su núcleo colapsa dando lugar a un agujero negro estelar. Sin embargo, el final puede ser distinto (dependiendo de la masa inicial de nuestra estrella moribunda) y dar lugar a una estrella de neutrones.

Son astros de tamaño muy reducido y extremadamente densos. Para hacernos una idea, su masa es del orden de 1,5 veces la de nuestro Sol, comprimida en una esfera de tan solo 20 kilómetros de diámetro (del tamaño de la isla de Manhattan). Su densidad es tan elevada que una cucharada de estrella de neutrones contendría a una masa de millones de toneladas.

Las estrellas de neutrones más jóvenes pertenecen a una subclase denominada púlsares. Estos objetos giran a velocidades extremadamente altas (incluso mayores que una licuadora de cocina) emitiendo radiación en unos haces muy estrechos que alcanzan periódicamente la Tierra.

Con el paso del tiempo, estos púlsares se van enfriando y perdiendo su velocidad de rotación, dificultando su detección (solo los púlsares más energéticos han podido ser observados).

¿Qué sucede cuando se encuentran un agujero negro de tamaño atómico y una estrella de neutrones?

Los agujeros negros primordiales podrían estar ubicados en regiones galácticas donde la concentración de materia oscura es notablemente alta. Así, podrían vagar por el universo (moviéndose a diferentes velocidades y direcciones) e interactuar con otros objetos astronómicos (como agujeros negros masivos o estrellas de neutrones).

En este sentido, un agujero negro primordial de tamaño atómico podría encontrarse con una estrella de neutrones vieja (cuya temperatura es muy baja y ha perdido prácticamente toda su velocidad de rotación). Según la reciente investigación, la frecuencia de estos encuentros sería del orden de 20 eventos por año, aunque la mayoría sería difícil de observar (debido a su enorme distancia y a la orientación adecuada respecto a la Tierra).

Se consideran dos escenarios posibles: primero, cuando el agujero negro primordial es capturado por la estrella de neutrones. Segundo, cuando el agujero negro de tamaño atómico se acerca desde muy lejos, rodea la estrella de neutrones y se vuelve a alejar (el llamado escenario de dispersión).

Dependiendo del tipo de evento (es decir, una captura o una dispersión) se generaría una señal característica y única, que serviría como medio para identificar tales interacciones (y una prueba indirecta de la existencia de dichos agujeros negros diminutos).

La siguiente animación describe en detalle la interacción entre estos dos objetos astronómicos:

La señal anteriormente mencionada consiste en un brote de radiación altamente energética de duración limitada: los llamados estallidos de rayos gamma (o GRB, de sus siglas en inglés). Son posiblemente los eventos más energéticos que ocurren en el universo.

Unos brotes de rayos gamma muy específicos

Estas explosiones repentinas tienen duraciones desde milésimas de segundo hasta varias horas. Ocurren a distancias muy alejadas de la Tierra y emiten radiación muy energética en forma de haces muy estrechos.

Los brotes de menor duración se deben posiblemente a la fusión de estrellas de neutrones o agujeros negros, mientras que los estallidos más largos tienen su origen en la muerte de estrellas masivas (las denominadas supernovas).

En el caso que nos ocupa, el estallido de rayos gamma tendría una duración de unos 35 segundos y cumpliría una condición muy específica: una emisión que aumenta de forma suave y progresiva, seguida de un brusco y rápido descenso en solo unas centésimas de segundo.

¿Seremos capaces de detectar agujeros negros de este tipo?

Es una pregunta de difícil respuesta, dada la complejidad de hallar estos agujeros negros diminutos.

Sin embargo, si los modernos observatorios de rayos gamma (como, por ejemplo, el telescopio espacial Fermi-LAT) son capaces de detectar estallidos de rayos gamma con las características mencionadas en dicha investigación, podríamos afirmar que hemos observado la interacción entre un agujero negro primordial de tamaño atómico y una estrella de neutrones (acaecida en el universo primitivo).

Ello implicaría una evidencia indirecta de estos agujeros negros primordiales predichos por Stephen Hawking. No se trata de una tarea fácil (puede que jamás se encuentren tales estallidos de rayos gamma), pero no podemos descartar por completo dicha posibilidad: sólo el tiempo nos dará la respuesta.

Oscar del Barco Novillo, Profesor Ayudante Doctor. Departamento de Física Aplicada., Universidad de Zaragoza. Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Aquí puedes leer el original.