Un nuevo estudio sugiere que los agujeros negros relictos que existían antes del Big Bang todavía pueden formar galaxias en la actualidad. Estos agujeros negros podrían explicar la materia oscura, una de las mayores cuestiones sin resolver en cosmología.
En términos generales, los agujeros negros son regiones del espacio-tiempo donde la materia se comprime en un espacio diminuto. Mientras tanto, la materia oscura es materia que no refleja ni absorbe la luz. Sabemos que existe debido a su influencia gravitacional sobre las galaxias y otras estructuras cósmicas.
Se puede considerar como el “pegamento” que mantiene unidas a las galaxias, pero no sabemos de qué está hecho en un nivel fundamental. La mayoría de los físicos creen que la materia oscura está formada por partículas subatómicas aún no descubiertas.
Pero los antiguos agujeros negros que existieron antes del Big Bang también cumplen los requisitos. Son oscuros, pero tienen masa, exactamente las propiedades que se necesitan.
Exploré esta idea en un nuevo artículo. Por supuesto, la idea de los agujeros negros reliquia también requiere un replanteamiento del propio Big Bang.
Durante casi un siglo, los cosmólogos han rastreado la historia del universo hasta este único momento dramático. Pero tal vez este no fuera el comienzo absoluto de los tiempos. Quizás el Universo existió antes del big bang.
Según este escenario, el Universo colapsó antes de sufrir expansión. El Big Bang representa una transición entre dos fases.
La visión tradicional de cómo surgió el Universo. Aquí, al Big Bang le sigue inmediatamente un período de rápida expansión conocido como inflación. Colaboración Bicep2
El modelo del Big Bang ha tenido un gran éxito. Explica el fondo cósmico de microondas (el resplandor del Universo temprano) y predice la distribución a gran escala de las galaxias con una precisión asombrosa.
Pero en la teoría general de la relatividad de Einstein también es una singularidad: el punto en el que la densidad se vuelve infinita y se violan las leyes conocidas de la física.
Muchos físicos interpretan esto no como una realidad física, sino como una señal de que falta algo. Las singularidades se parecen menos a objetos físicos y más a advertencias matemáticas: nos dicen que nuestras teorías actuales no pueden describir los primeros momentos del universo.
Rebota, no golpea
Una alternativa es la cosmología del salto. En esta imagen, el Universo pasa por una fase de contracción antes del Big Bang, alcanzando una densidad extremadamente alta pero finita. En lugar de colapsar en una singularidad, se reforma, comenzando una nueva fase de expansión.
Los patrones de salto se han estudiado durante décadas y a menudo requieren cambios en la gravedad o nuevos ingredientes exóticos. Pero nuestro trabajo muestra que el rebote puede surgir como una solución normal dentro de la física estándar cuando la gravedad y los efectos de la mecánica cuántica (las leyes que gobiernan la naturaleza en las escalas más pequeñas) se tienen en cuenta de manera consistente.
En la cosmología estándar, al big bang le sigue rápidamente un período en el que el universo primitivo atraviesa un período de expansión rápida y exponencial. Esta etapa, conocida como inflación, borra efectivamente todo rastro de estructuras anteriores.
Ilustración de un gran agujero negro. ¿Podrían los agujeros negros reliquia explicar el misterio de la materia oscura? NASA/Caltech-IPAC/Robert Hurt
Una situación diferente se observa en el Universo saltante. En nuestro trabajo, descubrimos que objetos de más de 90 metros podrían sobrevivir a la transición del colapso a la expansión. Esto deja atrás “reliquias” que contienen información de una era espacial anterior. Estas reliquias pueden incluir agujeros negros, ondas gravitacionales y fluctuaciones de densidad.
La física cuántica proporciona poderosas pistas sobre cómo esto es posible. Según el principio de Pauli, piedra angular de la teoría cuántica, la materia se “degenera” a densidades extremadamente altas. La materia crea una presión que resiste una mayor compresión incluso en ausencia de calor.
En nuestro modelo, opera un efecto similar a escalas cosmológicas. Esto puede explicar por qué el Universo no colapsa por completo y por qué las estructuras formadas antes o durante el rebote pueden sobrevivir a la fase de expansión.
Sobrevive al apocalipsis
Identificamos dos formas principales en las que pueden surgir agujeros negros relictos.
La primera es la supervivencia directa. Los objetos compactos y las perturbaciones (fluctuaciones de densidad o gravedad) que surgieron durante la fase de colapso del Universo pueden conservarse gracias al rebote.
La segunda ruta es aún más interesante. Durante la compresión, la materia se agrupa naturalmente bajo la influencia de la gravedad, formando estructuras similares a los halos en los que se encuentran las galaxias hoy. Después de rebotar, pueden colapsar efectivamente en agujeros negros.
Las galaxias y estrellas en fase de contracción colapsan efectivamente en agujeros negros, borrando gran parte de su estructura detallada pero reteniendo masa.
¿Podrían estos agujeros negros ser materia oscura? Durante décadas, una partícula fundamental ha sido la principal candidata, pero no se ha descubierto ninguna a pesar de extensas búsquedas.
¿Podrían los “pequeños puntos rojos” vistos por JWST ser agujeros negros relictos? Imagen: NASA, ESA, CSA, STScI, Dale Koczewski (Colby College)
Los agujeros negros reliquia ofrecen una alternativa convincente. Si el rebote da como resultado una cantidad suficiente de ellos, podrían constituir una parte significativa, tal vez dominante, de la materia oscura.
Esta idea también puede estar relacionada con uno de los misterios observacionales más intrigantes de los últimos años.
El Telescopio Espacial James Webb (JWST) ha descubierto una población de objetos compactos y extremadamente rojos, a veces llamados “pequeños puntos rojos”, en el Universo temprano. Estas fuentes astronómicas resultaron ser inesperadamente masivas y brillantes apenas unos cientos de millones de años después del Big Bang.
Muchos astrónomos sospechan que están asociados con agujeros negros de rápido crecimiento, posiblemente las semillas de los agujeros negros supermasivos que se encuentran hoy en los centros de las galaxias. Pero su existencia es difícil de explicar en el marco de la cosmología estándar. ¿Cómo pudieron formarse objetos tan masivos tan rápidamente?
Los agujeros negros reliquia proporcionan una explicación natural. Si ya hubieran existido semillas masivas inmediatamente después del rebote, el Universo primitivo no habría necesitado empezar de cero. Los agujeros negros supermasivos pueden surgir de objetos antiguos supervivientes y no de objetos recién formados.
En este sentido, es posible que JWST ya esté viendo descendientes de reliquias anteriores al rebote.
Nueva base cosmológica
En conjunto, el escenario del rebote ofrece una forma unificada de resolver varios problemas de larga data en cosmología.
La singularidad del Big Bang es reemplazada por una transición cuántica. Esta transición puede estar relacionada con el concepto de “puente Einstein-Rosen”: una conexión matemática entre dos regiones dispares del espacio-tiempo. La inflación surge naturalmente de la dinámica cercana al rebote. La energía oscura puede estar relacionada con la estructura global del Universo finito. La materia oscura puede consistir en relictos de agujeros negros; nuestro Universo puede haber comenzado como uno de ellos. Las ondas gravitacionales pueden transportar señales de la fase cósmica anterior. Los agujeros negros supermasivos pueden tener orígenes antiguos, lo que coincide con observaciones recientes del JWST.
Todavía queda mucho trabajo por hacer. Estas ideas deben probarse con datos que van desde fondos de ondas gravitacionales hasta estudios de galaxias y mediciones de precisión del fondo cósmico de microondas.
Pero la posibilidad es profunda: es posible que el universo no haya existido algún día, pero podría haber renacido. Y las estructuras oscuras que forman las galaxias hoy pueden ser reliquias de una época anterior al Big Bang.
