Los pequeños agujeros negros que se formaron segundos después del nacimiento del universo podrían existir por más tiempo de lo esperado, lo que lleva a los investigadores a creer que los agujeros negros primordiales podrían ser la fuente de la materia oscura, la sustancia más misteriosa del universo.
La materia oscura es actualmente uno de los problemas más acuciantes de la física. Esto se debe a que, a pesar de constituir aproximadamente el 85% de la materia en el espacio, permanece prácticamente invisible a nuestros ojos porque no interactúa con la luz. El estudio se publicó en 2024 en Space.com.
Dado que las partículas que componen los átomos de los objetos cotidianos que vemos, como las estrellas, los planetas y nuestros propios cuerpos, interactúan claramente con la luz, esto ha impulsado la búsqueda de partículas de materia oscura más allá del Modelo Estándar de la física de partículas. Muchos científicos creen que la respuesta podría estar aún dentro del Modelo Estándar, si consideramos objetos cósmicos que solemos considerar increíblemente masivos e incluso monstruosos: los agujeros negros.
Valentin Toss y Ana Alexander, del Instituto Max Planck, sugieren que pequeños agujeros negros formados hace más de 13.800 millones de años, justo después del Big Bang, no más grandes que un protón, podrían formar cúmulos que podrían ser fuentes potenciales de materia oscura, sin necesidad de descubrir nueva física.
Ilustración de una nube de materia oscura. ¿Podría ser realmente un cúmulo de agujeros negros? Rayos X: NASA/CXC/CfA/M. Markevich et al.; Óptica: NASA/STScI; Magallanes/Universidad de Arizona/D. Clow et al.; Mapa de lentes: NASA/STScI; ESO WFI; Magallanes/Universidad de Arizona/D. Clow et al.
El reciente cambio en el pensamiento sobre cómo se «evaporan» los agujeros negros no sólo ha llevado a una reevaluación de la posibilidad de los agujeros negros primordiales como fuentes de materia oscura, sino también, dado que las búsquedas de partículas de materia oscura siguen siendo en gran medida infructuosas, más investigadores podrían comenzar a tomar más en serio la teoría de los agujeros negros primordiales como fuente de materia oscura.
«Como su nombre indica, los ‘agujeros negros primordiales’ son un tipo de agujero negro que se forma en las primeras etapas del universo», declaró Toss a Space.com. «Básicamente, en la primera fracción de segundo de existencia del universo».
Explicó que todas las estructuras que observamos en el universo, desde los supercúmulos de galaxias hasta las galaxias mismas, se formaron a partir de pequeñas bolsas de mayor densidad en el espacio presentes en el universo primitivo. Si el universo primitivo experimentó fluctuaciones de densidad mucho mayores que las que crearon estas estructuras, y estas fluctuaciones colapsaron antes de la formación de las galaxias, estas bolsas de mayor densidad podrían haber sentado las bases para la formación de los agujeros negros primigenios.
Anatomía de un agujero negro. Independientemente de su tamaño, todos los agujeros negros tienen horizontes de eventos. ESO
Toss añadió que, dependiendo del momento y la escala del colapso, estos agujeros negros primordiales podrían tener masas muy diferentes. Los agujeros negros primordiales que Toss y Alexander consideraron posibles candidatos para materia oscura tendrían masas que oscilarían entre unas pocas toneladas y mil toneladas, una masa menor que la de un planeta y más acorde con la de un asteroide pequeño.
Teniendo en cuenta que los agujeros negros más pequeños descubiertos por los científicos hasta la fecha, conocidos como agujeros negros de masa estelar, tienen masas equivalentes a entre 3 y 50 masas solares, lo que equivale a 2,2 veces 1027 (22 seguido de 26 ceros) toneladas, estos agujeros negros primordiales son increíblemente pequeños.
Al igual que sus homólogos de mayor tamaño (agujeros negros formados por el colapso de estrellas masivas o por la fusión de agujeros negros relativamente más pequeños), los agujeros negros primigenios tendrían un límite exterior que impide el paso de la luz, llamado horizonte de sucesos, explicó Alexander. El diámetro de este horizonte está determinado por la masa del agujero negro, lo que significa que, en tales casos, el horizonte de sucesos sería increíblemente pequeño. «Más pequeño que el radio de un protón», añadió Alexander.
Anteriormente, los pequeños agujeros negros primordiales fueron descartados como candidatos a materia oscura porque se pensaba que todos los agujeros negros «dejaban escapar» un tipo especial de radiación térmica, propuesta por primera vez por Stephen Hawking en 1974 y posteriormente denominada «radiación de Hawking».
Diagrama que muestra la historia de la expansión del universo. Los agujeros negros primordiales podrían haberse formado debido a fluctuaciones de densidad antes de la formación de las primeras estrellas. NASA/Equipo Científico WMAP/Imagen de Dana Berry
Cuanto más pequeño sea un agujero negro, más rápido debería emitir radiación de Hawking y, por lo tanto, más rápido debería evaporarse. Esto significa que si existieron agujeros negros primigenios, los ejemplares más pequeños no deberían existir hoy, aunque la materia oscura obviamente sí.
«Los agujeros negros primordiales con las masas que Ana y yo estamos observando ahora fueron prácticamente descartados previamente, ya que se suponía que a estas alturas ya se habían evaporado por completo en el universo», dijo Toss.
Sin embargo, trabajos recientes de Georgi Dvali, físico teórico de la Universidad de Múnich que colaboró con Thoss y Alexander, han demostrado que el proceso de evaporación se detiene en un punto determinado, lo que significa que los agujeros negros primordiales con las masas que los científicos estaban considerando podrían alcanzar un estado semiestable.
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Para reducir su masa mediante la radiación de Hawking, un agujero negro tiene que reescribir su información o algo más. Este proceso de reescritura lleva tiempo —explicó Alexander—. Se llama «carga de memoria» porque esa memoria ahora tiene que transferirse a otra cosa, y simplemente ralentiza el proceso general de evaporación. Es una especie de estabilización.
Este «mecanismo de escape» significa que los agujeros negros primordiales vuelven a convertirse en candidatos potenciales para la materia oscura.
Sin embargo, el hecho de que existan agujeros negros primordiales en el universo actual no significa que deban considerarse la fuente de materia oscura. Sin embargo, existen otras razones para vincular estos diminutos agujeros negros hipotéticos con la misteriosa materia que compone el universo.
Quizás la conexión más obvia sea la falta de interacción entre la materia oscura y la luz. La materia oscura no emite ni refleja luz, y el horizonte de sucesos que encierra todos los agujeros negros es el punto en el que la velocidad de escape necesaria para cruzarlo supera la velocidad de la luz. Esto significa que los agujeros negros primigenios «capturarían» toda la luz entrante, lo que provoca la aparente falta de interacción.
Ilustración que muestra un cúmulo de diminutos agujeros negros primordiales que podrían ser la fuente de materia oscura. Robert Lee
“Si los agujeros negros primordiales son lo suficientemente ligeros, con una masa similar a la de un planeta, se comportan como partículas de materia oscura en todos los aspectos que nos interesan”, dijo Toss. “En los modelos estándar, la materia oscura no colisiona, por lo que sus partículas no interactúan lo suficiente entre sí como para afectar al universo”.
Añadió que si los agujeros negros primigenios fueran más ligeros que las masas planetarias, incluso en escalas de tiempo cósmicas serían tan pequeños que las colisiones serían extremadamente raras. Estos agujeros negros primigenios probablemente se agruparían, creando los efectos gravitacionales que ahora atribuimos a la materia oscura, como ejercer una atracción gravitatoria sobre las galaxias en rápida rotación para evitar que se separen.
Pero si los agujeros negros primordiales deben agruparse para explicar los efectos de la materia oscura, ¿qué les impide acercarse y fusionarse para formar agujeros negros más grandes? ¿No se convertiría un cúmulo de diminutos agujeros negros en un solo agujero negro enorme? Thoss afirmó que esta pregunta ya se ha explorado, y la respuesta es simple: «No».
«Incluso si tenemos en cuenta la agrupación, las escalas temporales de las fusiones son tan grandes que a lo largo de toda la historia del Universo solo podrían haberse fusionado en agujeros negros verdaderamente masivos», continuó.
Toss agregó que la belleza de usar los agujeros negros primordiales como explicación de la materia oscura es que, a diferencia de invocar una partícula hipotética como el axión para explicar el misterio, los agujeros negros primordiales no requieren una extensión del Modelo Estándar de la física de partículas, la mejor explicación que tenemos para el universo a escalas subatómicas.
Sin embargo, será increíblemente difícil confirmar que los agujeros negros primordiales son materia oscura, si es que explican el fenómeno. De nuevo, su capacidad para atrapar la luz los hace prácticamente invisibles. Además, con tamaños tan pequeños, no ejercen la misma fuerza gravitacional que sus primos estelares y supermasivos.
Aun así, si se descubre un cúmulo de agujeros negros primordiales, no habrá forma real de distinguir entre muchos agujeros negros pequeños y un agujero negro grande.
A pesar de esta dificultad, Toss y Alexander pretenden seguir estudiando los agujeros negros primordiales, al menos en teoría. Si las partículas candidatas a materia oscura siguen eludiendo la detección, quizá la solución resida en que más físicos analicen la frontera metafórica entre la física de partículas y la cosmología.
«No diría que los agujeros negros primordiales hayan sido descartados como candidatos a materia oscura; aunque fueron ignorados durante un tiempo», dijo Alexander. «Ahora, dado que no disponemos de datos sobre partículas de materia oscura, creo que cada vez es más relevante considerar esta opción».
La siguiente teoría: la materia oscura, la «cosa» más misteriosa del universo, podría ser una especie de intermediario cósmico que permitiría a los agujeros negros supermasivos superar el último obstáculo antes de colisionar y fusionarse en uno solo.
Los astrónomos han comprendido desde hace tiempo que cuando las galaxias colisionan para formar galaxias más grandes y deformes, los agujeros negros supermasivos en sus centros también se atraen entre sí. Finalmente, estos agujeros negros también se fusionan, produciendo un agujero negro supermasivo aún más monstruoso y un estridente grito que atraviesa el tejido del espacio y el tiempo llamado ondas gravitacionales. Los hallazgos de Alonso-Álvarez y su equipo se discuten en un artículo publicado el 9 de julio de 2025 en la revista Physical Review Letters.
Si bien la detección de ondas gravitacionales nos ha proporcionado evidencia de este proceso de colisión y ha sido verdaderamente fundamental para nuestra comprensión de cómo los agujeros negros supermasivos adquieren masas equivalentes a millones o incluso miles de millones de soles, hay un problema sin resolver.
El diagrama muestra las tres etapas principales de la fusión de agujeros negros, siendo la etapa 2 la fase teórica que explica el problema del pársec final. Robert Lee. Space.com
Los astrofísicos cuentan con buenos modelos de las últimas etapas de las fusiones de agujeros negros supermasivos, pero los científicos aún no comprenden del todo cómo estos gigantes cósmicos logran recorrer los últimos 3,3 años luz (también conocidos como «pársec») para iniciar el proceso de fusión. Este problema se ha denominado el «problema del último pársec».
La materia oscura podría ayudar a los agujeros negros supermasivos a comenzar el proceso de fusión, pero esta teoría sólo funciona si las partículas de materia oscura interactúan entre sí.
El proceso de fusión de agujeros negros supermasivos es complejo porque depende de que los agujeros negros se encuentren, formen un sistema binario y, posteriormente, la distancia orbital entre ellos se reduzca lentamente. Cuando la distancia entre los dos agujeros negros era de aproximadamente un pársec, los científicos se preocuparon porque, según los cálculos existentes, la fusión parecía detenerse.
Este descubrimiento se basa en modelos matemáticos y en la interacción de la materia oscura consigo misma. Más específicamente, para mediar entre agujeros negros, las partículas de materia oscura deben dispersarse al colisionar.
Un gráfico circular que muestra cuánta materia oscura supera a la materia «normal» en el universo que compone todo lo que vemos. Robert Lee. Space.com
Por esta razón, seguir esta teoría no sólo podría resolver el problema final del parsec, sino también quizás descubrir finalmente de qué está hecha la materia oscura, resolviendo así uno de los misterios más fundamentales de la ciencia.
La materia oscura puede no sólo consistir en partículas que no encajan en nuestros mejores modelos del mundo subatómico, sino que también puede ser mucho más masiva que las partículas de materia «cotidiana».
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Las partículas de materia oscura «superan en número» a las partículas normales en una proporción de entre 5 a 1 y 6 a 1. Esto significa que todo lo que vemos a nuestro alrededor constituye solo el 15% de la masa del cosmos.
Sabemos que la materia oscura existe porque, a pesar de no interactuar con la luz ni con la materia normal, sí interactúa con la gravedad. Cuando lo hace, sus efectos pueden afectar el comportamiento de la materia normal y la luz. Por ejemplo, investigadores han descubierto que sin la influencia gravitatoria de la materia oscura, la gravedad ejercida por la masa de las estrellas, el gas, los planetas y las lunas de las galaxias no sería suficiente para evitar que se desintegraran a medida que se desplazan rápidamente.
Alonso-Álvarez explicó que, cuando las galaxias se fusionan inicialmente, sus agujeros negros supermasivos se encuentran muy separados. Finalmente, emprenden su viaje hacia el centro de las galaxias en fusión, que se convertirá en el lugar de su propia fusión y el corazón del conglomerado galáctico recién formado.
Este viaje se ve facilitado por la pérdida de energía de los agujeros negros y se produce en tres etapas distintas.
En la primera etapa, los agujeros negros se desplazan rápidamente junto a muchas estrellas e interactúan gravitacionalmente con ellas. Debido a esta interacción, los agujeros negros cambian de velocidad y se ralentizan. Esta pérdida de velocidad permite que la concentración de masa en el centro de la fusión ejerza un efecto gravitacional sobre los agujeros negros, provocando que se acerquen lentamente.
Esta pérdida de energía sigue desempeñando un papel importante después de que los agujeros negros supermasivos recorren los últimos 3,3 años luz y forman un sistema binario, la tercera etapa de este proceso. En este punto, los huecos orbitan entre sí, generando ondas gravitacionales. A medida que estas ondas se propagan desde el sistema binario, pierden momento angular, perdiendo así energía cinética rotacional.
Esta eficiente pérdida de energía provoca que los dos agujeros negros se acerquen, y su fusión se vuelve irreversible. Cuanto más estrechas se vuelven sus órbitas, más rápido emiten ondas gravitacionales. Finalmente, a medida que los agujeros negros supermasivos se acercan cada vez más, su influencia gravitacional se impone y colisionan.
La segunda etapa es la etapa entre la transferencia de energía a las estrellas y la pérdida de energía a través de ondas gravitacionales.
La interacción con las estrellas sólo es realmente efectiva cuando los agujeros negros están muy separados, es decir, a distancias mayores que un parsec, y la radiación gravitatoria sólo aparece cuando están más cerca que fracciones de un parsec.
Alonso-Álvarez y sus colegas sugieren que cuando los agujeros negros supermasivos alcanzan distancias de 3,3 años luz y ya no pueden transferir energía a las estrellas, la materia oscura toma el control y comienza a extraer energía a través de un proceso llamado «fricción dinámica».
Si los agujeros negros se mueven a través de esta densa «materia oscura», crean una fricción similar a la de un objeto que se mueve a través de un fluido viscoso. Si se modela la materia oscura como un fluido, las interacciones entre sus partículas le confieren una alta viscosidad. La alta viscosidad de un fluido normal indica la dificultad que tiene un objeto para atravesarlo. En este caso, esta fricción se crea únicamente por la gravedad. Nunca interactúa con el agujero negro mediante ninguna otra fuerza que no sea la gravedad.
Sin la dispersión de la materia oscura, este mecanismo simplemente no funcionaría. La razón es que la energía que los agujeros negros pierden por fricción y la materia oscura se utiliza para aumentar la velocidad de las partículas de materia oscura. Si no hubiera viscosidad, las partículas de materia oscura se dispersarían lejos de esta región finita de pársecs.
Esto significaría que, tras un breve periodo, ya no quedaría materia oscura en esta región central para crear la fricción necesaria. Sin embargo, si la materia oscura interactúa consigo misma, se produciría una redistribución de esta energía entre las partículas de la región central de la galaxia, de modo que la materia oscura no se disiparía.
Las interacciones de la materia oscura con agujeros negros supermasivos también podrían explicar los cálculos de halos de materia oscura alrededor de las galaxias, cuyas formas no pueden explicarse completamente mediante modelos de «materia oscura fría». Estos modelos asumen que esta misteriosa materia se mueve lentamente (de ahí su nombre «fría») y no interactúa consigo misma. Si la teoría de Alonso-Álvarez y sus colegas sobre los mediadores de la materia oscura es correcta, podría requerirse una desviación de la teoría de la materia oscura fría.
Además, se necesita una partícula portadora de fuerza desconocida para mediar las interacciones entre partículas de materia oscura, y este estudio proporcionó al equipo algunas pistas sobre la naturaleza de esta partícula. Una partícula portadora de fuerza, o bosón, actúa como mediador, facilitando la interacción entre otras partículas. Por ejemplo, la fuerza electromagnética utiliza fotones, o partículas de luz, como portadores de fuerza, mientras que se cree que la gravedad utiliza un bosón llamado gluón.
Dos agujeros negros supermasivos contra el telón de fondo de la red de materia oscura que los atrae. Robert Lee. Space.com
“Partimos de la idea, muy ingenua, de que las autointeracciones de materia oscura simplemente ayudarían a resolver este último problema de pársec, pero no creíamos poder predecir qué autointeracciones serían las más favorecidas”, dijo Alonso-Álvarez. “A medida que trabajamos y refinamos nuestros cálculos, descubrimos que un modelo muy específico era el más favorecido, en el que el portador de fuerza tenía una masa del orden del 1% de la masa de la partícula de materia oscura, y ninguna de las otras opciones que probamos funcionó”.
«Los cálculos que realizamos para este trabajo fueron puramente analíticos. Ahora estamos trabajando en la creación de simulaciones para comprender mejor este mecanismo», afirmó Alonso-Álvarez.
El físico añadió que la evidencia observacional de esta teoría podría provenir de conjuntos de estrellas de neutrones en rotación de alta precisión, llamados conjuntos de púlsares, que los científicos utilizan como relojes cósmicos de precisión. Para ello, será crucial estudiar el zumbido de fondo del espacio, llamado fondo de ondas gravitacionales, que se produce por las fusiones de agujeros negros supermasivos a lo largo de la historia del universo.
«Se puede observar la influencia de la materia oscura y la fricción en esta señal y predecir cómo la presencia de materia oscura altera la señal», añadió Alonso-Álvarez. «Creo que lo más interesante es que se puede comparar esto simultáneamente con la evidencia de autointeracciones de materia oscura a escalas galácticas de miles de pársecs».
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