Explicación al caso de los agujeros negros desaparecidos

La bien entendida y altamente verificada teoría cuántica de campos, generalmente aplicada al estudio de lo muy pequeño, ha sido aplicada por un grupo de físicos teóricos al universo primitivo.

Su exploración, aceptada en 'Physical Review Letters', llevó a la conclusión de que debería haber muchos menos agujeros negros en miniatura de lo que sugieren la mayoría de los modelos, aunque pronto deberían ser posibles observaciones que confirmen esto.

Aunque los detalles son confusos, el consenso general entre los físicos es que el universo tiene aproximadamente 13.800 millones de años, comenzó con una explosión, se expandió rápidamente en un período llamado inflación y en algún momento pasó de ser homogéneo a contener detalles y estructura. La mayor parte del universo está vacío, pero a pesar de esto, parece ser significativamente más pesado de lo que podemos explicar por lo que podemos ver; a esta discrepancia la llamamos materia oscura, y nadie sabe qué podría ser, pero se están acumulando pruebas de que podría ser agujeros negros, específicamente los viejos.

"Los llamamos agujeros negros primordiales (PBH), y muchos investigadores sienten que son un fuerte candidato para la materia oscura, pero sería necesario que hubiera muchos para satisfacer esa teoría", relata el estudiante graduado del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo Jason Kristiano, uno de los autores del estudio.

"Son interesantes también por otras razones, ya que desde la reciente innovación de la astronomía de ondas gravitacionales, se han descubierto fusiones binarias de agujeros negros, lo que puede explicarse si los PBH existen en grandes cantidades. Pero a pesar de estas poderosas razones para su abundancia esperada, no hemos visto ninguna directamente, y ahora tenemos un modelo que debería explicar por qué es así".

Kristiano y su supervisor, el profesor Jun'ichi Yokoyama, actualmente director de Kavli IPMU y RESCEU, han explorado ampliamente los diversos modelos para la formación de PBH, pero descubrieron que los principales contendientes no se alinean con las observaciones reales del fondo cósmico de microondas (CMB), que es una especie de huella digital sobrante de la explosión del Big Bang que marcó el comienzo del universo. Y si algo no está de acuerdo con las observaciones sólidas, o no puede ser cierto o, en el mejor de los casos, sólo puede reflejar una parte del panorama. En este caso, el equipo utilizó un enfoque novedoso para corregir el modelo principal de formación de PBH a partir de la inflación cósmica para que se alinee mejor con las observaciones actuales y pueda verificarse aún más con las próximas observaciones de los observatorios terrestres de ondas gravitacionales de todo el mundo.

"Al principio, el universo era increíblemente pequeño, mucho más pequeño que el tamaño de un solo átomo. La inflación cósmica rápidamente expandió eso en 25 órdenes de magnitud. En ese momento, las ondas que viajaban a través de este pequeño espacio podrían haber tenido amplitudes relativamente grandes pero longitudes de onda muy cortas. Lo que hemos descubierto es que estas ondas pequeñas pero fuertes pueden traducirse en una amplificación que de otro modo sería inexplicable de ondas mucho más largas que vemos en el CMB actual", dijo Yokoyama.

"Creemos que esto se debe a casos ocasionales de coherencia entre estas primeras ondas cortas, que pueden explicarse utilizando la teoría cuántica de campos, la teoría más sólida que tenemos para describir fenómenos cotidianos como los fotones o los electrones. Si bien las ondas cortas individuales serían relativamente impotentes, los grupos coherentes tendrían el poder de remodelar ondas mucho más grandes que ellos mismos. Este es un raro caso en el que una teoría de algo en una escala extrema parece explicar algo en el extremo opuesto de la escala".

Si, como sugieren Kristiano y Yokoyama, las primeras fluctuaciones a pequeña escala en el universo afectan algunas de las fluctuaciones a mayor escala que vemos en el CMB, esto podría alterar la explicación estándar de las estructuras burdas del universo.

"Pero también, dado que podemos utilizar mediciones de longitudes de onda en el CMB para limitar efectivamente la extensión de las longitudes de onda correspondientes en el universo temprano, esto necesariamente limita cualquier otro fenómeno que pueda depender de estas longitudes de onda más cortas y más fuertes. Y aquí es donde vuelven a entrar en juego los PBH", señala.

"Se cree ampliamente que el colapso de longitudes de onda cortas pero fuertes en el universo primitivo es lo que crea los agujeros negros primordiales", finaliza Kristiano. "Nuestro estudio sugiere que debería haber muchos menos PBH de los que se necesitarían si realmente fueran un fuerte candidato para eventos de materia oscura u ondas gravitacionales".