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Esta ilustración muestra un agujero negro antes y después de convertirse en un agujero blanco. | Por Robert Lee (creado con Canva)
Nuevas investigaciones sugieren que los agujeros negros formados durante el Big Bang podrían vivir mucho más tiempo de lo que se creía. De hecho, estos diminutos agujeros negros primordiales podrían sobrevivir el tiempo suficiente para evolucionar hasta convertirse en agujeros blancos energéticos con una masa similar a la de un pelo de ceja humana.
Se cree que los agujeros negros primordiales se formaron como resultado de fluctuaciones en la materia increíblemente caliente y densa que llenaba el universo momentos después del Big Bang. Esto contrasta con los agujeros negros estelares o "astrofísicos" que conocemos: el colapso de estrellas masivas como… Los agujeros negros primordiales siguen sin detectarse y, por lo tanto, son hipotéticos.
Muchos científicos creen que la imposibilidad de detectar agujeros negros astrofísicos se debe a que se han evaporado y, por lo tanto, ya no existen en el cosmos de 13.800 millones de años de antigüedad. Esto es posible porque se cree que los agujeros negros emiten un tipo de radiación térmica llamada "radiación de Hawking", propuesta por Stephen Hawking en la década de 1970. Cuanto menor es la masa de un agujero negro, más caliente es y, por consiguiente, más rápido emite radiación de Hawking y más rápido se evapora, un proceso que se cree que culmina en una explosión.
Los agujeros negros de masa estelar, cientos de veces más masivos que el Sol, son lo suficientemente grandes y fríos como para "filtrar" energía lentamente y sobrevivir al Universo muchas veces; por otro lado, los agujeros negros primordiales, con masas mucho menores, no tienen tanta suerte, o eso creíamos. El investigador del Eberly College of Science, Daniel Paraiso, y sus colegas proponen una forma para que los agujeros negros primordiales con la masa adecuada sobrevivan a este proceso y experimenten una transformación extraordinaria.
«Hemos descubierto que los agujeros negros tienen una vida útil mucho más larga de lo que se creía», declaró Paraiso a Space.com. «Los fenómenos que hemos descubierto están relacionados con agujeros negros que podrían haberse formado en el universo primitivo. Estos objetos aún no se han observado, pero su búsqueda es un tema candente en la investigación de posibles candidatos a materia oscura. Los agujeros negros comienzan su proceso de desaparición emitiendo radiación térmica de Hawking. El misterio reside en qué ocurre cuando alcanzan la masa de Planck, que es de aproximadamente 20 microgramos».
Un agujero negro del tamaño de un huevo de pulga.
La masa de Planck, aproximadamente 0,000000022 kilogramos, es la unidad fundamental de masa en física y se considera de suma importancia, ya que es en este punto donde las leyes que rigen las partículas subatómicas y la física cuántica, así como las que rigen la gravedad y la relatividad general en su conjunto, adquieren igual relevancia. Los físicos consideran que este es el límite superior de la masa de cualquier partícula elemental individual; cualquier partícula que supere este límite colapsa, creando un agujero negro microscópico.
En lenguaje común, la masa de Planck es aproximadamente equivalente a un pelo de ceja humana o a un huevo de pulga, que es unas cincuenta mil veces más ligero que una gominola.
Paraiso explicó que, tras la evaporación de un agujero negro primordial hasta alcanzar una masa de Planck, convirtiéndose en lo que se conoce como un agujero negro de Planck, existen varios destinos posibles. Entre ellos se incluye la desaparición del límite exterior que define la naturaleza del agujero negro: la región que atrapa la luz o la radiación electromagnética, conocida como horizonte de sucesos. «El mecanismo que estamos explorando para la desaparición de este agujero negro del tamaño de Planck es la desaparición gradual del horizonte que atrapa la radiación», afirmó Paraiso.
El equipo realizó cálculos matemáticos que demostraron que un agujero negro primordial formado con la masa inicial de un asteroide de tamaño mediano, aproximadamente mil millones de toneladas, se desintegra en unos mil millones de años y emite radiación de Hawking térmica hasta alcanzar la masa de Planck. Sin embargo, un agujero negro primordial nacido con una masa de tan solo una tonelada explotaría inmediatamente, alcanzando instantáneamente la masa de Planck. Lo que sucede a continuación es lo que distingue los resultados del estudio de trabajos anteriores. "Aquí es donde nuestros resultados predicen algo nuevo: razonamientos previos indicaban que los 20 microgramos restantes se emiten en al menos un segundo; nuestra estimación muestra que estos remanentes de 20 microgramos son prácticamente estables", explica Paraiso. "Una vez que un agujero negro alcanza el umbral de los 20 microgramos, descubrimos que comienza a emitir radiación purificadora [llamada así porque se cree que 'limpia' el estado cuántico del universo] debido a un comportamiento similar al de un agujero blanco".
«"Así pues, aunque todavía no conocemos los procesos físicos que tienen lugar cerca de un agujero blanco, encontramos un objeto con exactamente las mismas propiedades a una distancia considerable.".
Ilustración de un agujero blanco, un "agujero negro con el tiempo invertido", que repele la materia sin cesar. | Por Robert Lee (creado con Canva)
Los agujeros blancos son otra entidad hipotética en física que se supone que debe considerarse como un "agujero negro con el tiempo invertido" que, en lugar de atrapar materia y radiación en su interior como lo hacen los agujeros negros, las expulsa infinitamente.
Cualquier predicción adicional sobre el destino de estos agujeros negros primordiales, que eventualmente podrían evolucionar hasta convertirse en agujeros blancos, requerirá una teoría que combine la relatividad general y la mecánica cuántica, conocida como "gravedad cuántica", que ha eludido obstinadamente a los físicos desde principios del siglo XX.
«Las suposiciones físicas simples sobre la física lejos de un agujero negro pueden revelarnos mucho sobre su vida útil y la transición a una fase estable similar a la de un agujero blanco de 20 microgramos», dijo Paraiso. «El hecho de que podamos deducir estas propiedades utilizando solo elementos mínimos de gravedad cuántica es extraordinario».
Una versión preliminar del estudio del equipo, aún sin revisión por pares, está disponible en el sitio web del repositorio de investigación arXiv.