Agujeros negros primordiales

Ya hemos hablado en varias ocasiones de los agujeros negros que todo el mundo conoce, que son los que se producen como consecuencia de la muerte de estrellas cuya masa es superior a dos veces y media la masa del sol. Estos agujeros negos son básicamente una curvatura muy fuerte del espacio-tiempo limitada por un horizonte de sucesos fuera del cual no ocurre nada especial y en cuyo interior queda atrapado todo lo que cae en él incluída la luz, aunque emiten una pequeña radiación llamada radición de Hawking por la cual su vida no es ilimitada.

Además de estos agujeros negros de origen estelar, ANE, existen otros llamados agujeros negros primordiales, ANP, que se formaron en el universo temprano antes de que aparecieran las estrellas, simplemente por el colapso de una región del espacio suficientemente grande. Los ANE se formaron en el universo tardío por un colapso de fermiones y los ANP se formaron en el universo primitivo por un colapso de bosones.  La masa de un ANP puede ser grande pero también pequeña, incluso menor que una masa solar. Como los ANE, los ANP se caracterizan solo por tres parámetros, que son su masa, su carga y su momento angular. Estas tres magnitudes son conocidas en el argot de los estudiosos como los tres pelos de los agujeros negros. Si ahora se detectaran dos agujeros negros con la misma masa, la misma carga y el mismo momento angular no podríamos saber si ambos son del mismo tipo o cada uno es de un tipo diferente, dado que su origen fermiónico o bosónico no deja ninguna huella que nosotros podamos ver una vez que el agujero negro se ha formado. Los ANP del universo primitivo se podrían haber ido agrupando en pequeñas colonias, siendo así el origen de los núcleos masivos de las galaxias al mismo tiempo que contribuyeron a su formación. La figura de cabecera representa una recreacción de estas agrupaciones.

El detalle de cómo se puede formar un ANP se recoge gráficamente en la secuencia de la figura 1. A nivel local, en el universo primitivo se podrían haber dado fluctuaciones en la presión de la radiación del orden de una parte en cien o una parte en mil como indican las curvas onduladas de la figura. Estas fluctuaciones originan una concentración de radiación como se observa en la primera de las tres ilustraciones. Aunque a esta concentración se opone la presión de la propia radiación que intenta evitar que ese material que está cargado se comprima, si las amplitudes son suficientemente grandes, los gradientes son mayores como indica la segunda ilustración, el proceso continúa y puede desembocar en la formación de un agujero negro primordial como ilustra la tercera ilustración.

Figura 1

Una de las épocas en la que se formaron ANP fue durante la llamada Transición Cuántica Cromodinámica, QCD, que es cuando se crearon los primeros protones y neutrones a partir de unos quarks y unos gluones que formaban un plasma a temperaturas muy elevadas fuertemente interactuante. Cuando este plasma se condensa para formar protones y neutrones baja mucho el nivel de la radiación y el ritmo de la expansión del universo se hace más lento. Entonces la repulsión debida a la radiación disminuye, no compensa suficientemente la atracción gravitatoria y se consuma el colapso, que termina en un agujero negro.

Además de su influencia en la formación de futuras galaxias, los ANP jugaron también un papel decisivo en el universo primitivo, que era un plasma fuertemente energético formado por protones, electrones y fotones. Cuando en el seno de ese plasma ya se ha formado un ANP, éste actúa como un potencial gravitacional atrayendo el gas y dispersando las patículas, con lo cual se produce una acreción del propio ANP y un recalentamiento del plama por parte de las partículas dispersadas, que cuando alcanza su  nuevo equilibrio termodinámico puede tener el espectro de un cuerpo negro de Planck a la temperatura correspondiente. El análisis de este proceso conduce a dos conclusiones importantes: en primer lugar, exige una limitación por arriba de la masa  de los ANP, que no pueden superar valores del orden de 10⁸ masas solares; y en segundo lugar, revela que se produce un calentamiento mayor en las altas frecuencias, que tiene que originar una distorsión de la curva de Planck en esa zona. Precisamente, la observación de estas distorsiones servirá para detectar la presencia de agujeros negros primordiales. Los satélites actuales tienen instrumentos muy precisos para hacer estas medidas.

Las masas de los ANP están muy relacionadas con la evolución del universo temprano  siendo mayores a medida que el universo va creciendo por ser mayores las nubes de gas y materia que pueden llegar a colapsar. Refiriéndonos a épocas bien definidas podemos considerar la tabla siguiente:

La figura 2 corresponde al modelo que se utiliza para representar las frecuencias de los ANP en función de su masa. Aunque todos los valores son posibles, la distribución presenta dos zonas con más probabilidades que sus vecinas y, sobre todo, una abundancia de ANP abolutamete dominante en la zona correspondiente a la transición QCD, con masas del orden de una masa solar.

Figura 2

Para la detección de los ANP se utilizan varios tipos de medidas. Uno de ellos es el ya citado de medir la distorsión de la curva del cuerpo negro de Planck, que se hace por medio de satélites. Otro consiste en medir cómo se altera la luz que recibimos de una estrella cuando pasa por delante de ella un ANP, pues en ese caso, cuando la luz se curva alrededor de todo el ANP llega al observador con una amplificación, cuya curva ya se ha estudiado, de la que se puede deducir el tamaño y la distancia del agujero negro. En tercer lugar, en algunos laboratorios  se puede medir la onda gravitacional que se produce cuando dos ANP se acercan, empiezan a orbitar uno sobre el otro y terminan chocando y enguyéndose mutuamente. De estos últimos los más conocidos son los laboratorios LIGO, VIRGO y KAGRA. El problema que presentan las ondas gravitacionales es que su longitud de onda es del orden de kilómetros y eso dificulta mucho su detección. Está en proyecto construir uno de estos laboratorios en el espacio, creando un marco gigantesco cuyas deformaciones al paso de la onda gravitacional puedan ser medidas con mucha más precisión.

Figuras: La figura de cabecera es una recreación de agrupaciones de agujeros negros primordiales, posible origen de futuras galaxias. Las otras figuras están tomadas de una conferencia del profesor Juan García-Bellido, investigador del Instituto de Física Teórica del CSIC y catedrático de Física Teórica de La Universidad Autónoma de Madrid.