Desde hace unos 50 años, la comunidad científica enfrenta un problema sustancial: no hay suficiente materia visible en el universo.

Toda la materia que podemos ver -estrellas, planetas, polvo cósmico y todo lo demás- no puede explicar por qué el universo se comporta como lo hace, y debe haber cinco veces más para que las observaciones de los investigadores tengan sentido, según la NASA. Los científicos llaman a eso materia oscura, porque no interactúa con la luz y es invisible.

En la década de 1970, los astrónomos estadounidenses Vera Rubin y W. Kent Ford confirmaron la existencia de la materia oscura observando las estrellas que orbitan en los bordes de las galaxias espirales. Observaron que estas estrellas se movían demasiado deprisa para mantenerse unidas por la materia visible de la galaxia y su gravedad; en su lugar, deberían haber salido volando separadas. La única explicación era que existía una gran cantidad de materia invisible que mantenía unida a la galaxia.

«Lo que se ve en una galaxia espiral», dijo entonces Rubin, «no es lo que hay». Su trabajo se basó en una hipótesis formulada en la década de 1930 por el astrónomo suizo Fritz Zwicky e inició la búsqueda de la elusiva sustancia.

Desde entonces, los científicos han intentado observar directamente la materia oscura e incluso han construido grandes dispositivos para detectarla, pero hasta ahora sin suerte.

Al principio de la búsqueda, el célebre físico británico Stephen Hawking postuló que la materia oscura podría esconderse en los agujeros negros —el tema principal de su trabajo— formados durante el Big Bang.

Ahora, un nuevo estudio realizado por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) ha vuelto a poner de actualidad esta teoría, revelando de qué estaban hechos estos agujeros negros primordiales y descubriendo potencialmente un tipo completamente nuevo de agujero negro exótico en el proceso.

«Fue una sorpresa maravillosa», dijo David Kaiser, uno de los autores del estudio.

«Estábamos haciendo uso de los famosos cálculos de Stephen Hawking sobre los agujeros negros, especialmente su importante resultado sobre la radiación que emiten los agujeros negros», dijo Kaiser. «Estos agujeros negros exóticos surgen al intentar abordar el problema de la materia oscura: son un subproducto de la explicación de la materia oscura».

La primera quintillonésima de segundo Los científicos han hecho muchas conjeturas sobre lo que podría ser la materia oscura, desde partículas desconocidas hasta dimensiones adicionales. Pero la teoría de los agujeros negros de Hawking no ha entrado en juego últimamente.

«La gente no se la tomó en serio hasta hace unos 10 años», señaló Elba Alonso-Monsalve, coautora del estudio y estudiante de posgrado del MIT. «Y eso es porque los agujeros negros parecían muy difíciles de alcanzar: a principios del siglo XX, la gente pensaba que eran solo un dato matemático, nada físico».

Ahora sabemos que casi todas las galaxias tienen un agujero negro en su centro, y el descubrimiento por parte de los investigadores de las ondas gravitacionales de Einstein creadas por agujeros negros en colisión en 2015 -un hallazgo histórico- dejó claro que están por todas partes.

«En realidad, el universo está repleto de agujeros negros», dijo Alonso-Monsalve. «Pero no se ha encontrado la partícula de materia oscura, a pesar de que se ha buscado en todos los lugares donde se esperaba encontrarla. Esto no quiere decir que la materia oscura no sea una partícula, ni que se trate con seguridad de agujeros negros. Podría ser una combinación de ambas. Pero ahora los agujeros negros como candidatos a materia oscura se toman mucho más en serio».

Otros estudios recientes han confirmado la validez de la hipótesis de Hawking, pero el trabajo de Alonso-Monsalve y Kaiser, profesor de Física y catedrático Germeshausen de Historia de la Ciencia en el MIT, va un paso más allá y analiza qué ocurrió exactamente cuando se formaron los agujeros negros primordiales.

El estudio, publicado el 6 de junio en la revista Physical Review Letters, revela que estos agujeros negros debieron de aparecer en la primera quintillonésima de segundo del Big Bang: «Eso es realmente pronto, y mucho antes del momento en que se formaron los protones y neutrones, las partículas de las que está hecho todo», dijo Alonso-Monsalve.

Añadió que en nuestro mundo cotidiano no encontramos protones y neutrones desintegrados, por lo que actúan como partículas elementales. Sin embargo, sabemos que no lo son, porque están formados por partículas aún más pequeñas llamadas quarks, unidas por otras partículas llamadas gluones.

«Ahora no se pueden encontrar quarks y gluones solos y libres en el universo, porque está demasiado frío», añadió Alonso-Monsalve. «Pero al principio del Big Bang, cuando estaba muy caliente, se podían encontrar solos y libres. Así que los agujeros negros primordiales se formaron absorbiendo quarks y gluones libres».

Tal formación los haría fundamentalmente diferentes de los agujeros negros astrofísicos que los científicos observan normalmente en el universo, que son el resultado del colapso de estrellas. Además, un agujero negro primordial sería mucho más pequeño: solo la masa de un asteroide, en promedio, condensada en el volumen de un solo átomo. Pero si un número suficiente de estos agujeros negros primordiales no se evaporó en el Big Bang primigenio y sobrevivió hasta nuestros días, podrían explicar toda o la mayor parte de la materia oscura.

Una firma duradera Según el estudio, durante la formación de los agujeros negros primigenios, debió formarse otro tipo de agujero negro hasta entonces desconocido. Estos habrían sido aún más pequeños: apenas la masa de un rinoceronte, condensada en menos del volumen de un solo protón.

Estos minúsculos agujeros negros, debido a su pequeño tamaño, habrían sido capaces de recoger una rara y exótica propiedad de la sopa de quark-gluones en la que se formaron, llamada «carga de color». Se trata de un estado de carga exclusivo de los quarks y los gluones, que nunca se encuentra en los objetos ordinarios, explicó Kaiser.

Esta carga de color los haría únicos entre los agujeros negros, que normalmente no tienen carga de ningún tipo. «Es inevitable que estos agujeros negros aún más pequeños también se hubieran formado, como un subproducto (de la formación de los agujeros negros primordiales)», dijo Alonso-Monsalve, «pero ya no estarían por aquí hoy, pues ya se habrían evaporado».

Sin embargo, si seguían existiendo apenas diez millonésimas de segundo después del Big Bang, cuando se formaron los protones y los neutrones, podrían haber dejado firmas observables al alterar el equilibrio entre los dos tipos de partículas.

«El equilibrio de cuántos protones y cuántos neutrones se formaron es muy delicado, y depende de qué otras cosas existían en el universo en ese momento. Si estos agujeros negros con carga de color aún existieran, podrían haber cambiado el equilibrio entre protones y neutrones (a favor de uno u otro), lo suficiente como para que en los próximos años podamos medirlo», añadió.

Según Kaiser, las mediciones podrían realizarse con telescopios terrestres o con instrumentos sensibles instalados en satélites en órbita. Pero podría haber otra forma de confirmar la existencia de estos agujeros negros exóticos, agregó.

«La formación de una población de agujeros negros es un proceso muy violento que provocaría enormes ondulaciones en el espacio-tiempo circundante. A lo largo de la historia cósmica se irían atenuando, pero no hasta desaparecer», explicó Kaiser. «La próxima generación de detectores gravitacionales podría vislumbrar los agujeros negros de masa pequeña, un estado exótico de la materia que fue un subproducto inesperado de los agujeros negros más mundanos que podrían explicar la materia oscura actual».

Muchas formas de materia oscura ¿Qué significa esto para los experimentos en curso que tratan de detectar la materia oscura, como el Experimento de Materia Oscura LZ en Dakota del Sur?

«La idea de que existen nuevas partículas exóticas sigue siendo una hipótesis interesante», dijo Kaiser. «Hay otro tipo de grandes experimentos, algunos de los cuales están en construcción, que buscan formas extravagantes de detectar ondas gravitacionales. Y esos sí que podrían captar algunas de las señales parásitas del violentísimo proceso de formación de los agujeros negros primordiales».

También existe la posibilidad de que los agujeros negros primordiales sean solo una fracción de la materia oscura, añadió Alonso-Monsalve. «En realidad no tiene por qué ser todo lo mismo», dijo. «Hay cinco veces más materia oscura que materia regular, y la materia regular está formada por toda una serie de partículas diferentes. Así que, ¿por qué debería ser la materia oscura un único tipo de objeto?».

Los agujeros negros primordiales han recobrado popularidad con el descubrimiento de las ondas gravitacionales, pero no se sabe mucho sobre su formación, según Nico Cappelluti, profesor adjunto del departamento de Física de la Universidad de Miami. No participó en el estudio.

«Este trabajo es una opción interesante y viable para explicar la esquiva materia oscura», dijo Cappelluti.

Según Priyamvada Natarajan, catedrática Joseph S. y Sophia S. Fruton de Astronomía y Física de la Universidad de Yale, el estudio es apasionante y propone un nuevo mecanismo de formación de la primera generación de agujeros negros. Natarajan tampoco participó en el estudio.

«Todo el hidrógeno y el helio que tenemos hoy en nuestro universo se creó en los tres primeros minutos, y si un número suficiente de estos agujeros negros primigenios estuvieron por aquí hasta entonces, habrían influido en ese proceso y esos efectos podrían ser detectables», dijo Natarajan.

«El hecho de que se trate de una hipótesis comprobable desde el punto de vista observacional es lo que me parece realmente emocionante, aparte de que esto sugiere que la naturaleza probablemente crea agujeros negros desde los primeros tiempos a través de múltiples vías».