Un fenómeno casi imperceptible puede descubrir el último gran misterio del universo

 elconfidencial

Tras 90 años observando el espacio en busca de materia oscura, los astrofísicos todavía no han conseguido pruebas de su existencia. Una posible explicación es que se trate de agujeros negros en miniatura

Ilustración de un agujero negro rodeado por el horizonte de sucesos. (NASA/ESA/Gaia/DPAC)

El horizonte de sucesos de un agujero negro es igual a su tamaño mecánico cuántico, la llamada longitud de onda Compton, si su masa es de 22 microgramos, equivalente a 13 quintillones (aproximadamente 10 elevado a 19) protones. Para un agujero negro de estas características, la mecánica cuántica es tan importante como la gravedad. Como no tenemos una teoría predictiva que unifique el mundo cuántico con la descripción de Einstein de la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo, no conocemos el destino de estos diminutos agujeros negros.

En 1974, Stephen Hawking mostró que los mini agujeros negros se evaporan rápidamente al emitir radiación térmica. Sin embargo, la temperatura de los agujeros negros con masa de Planck es la temperatura de Planck, conjeturada como la energía más alta alcanzable en la naturaleza. Como resultado, es posible que los agujeros negros de Planck sean estables y no puedan desintegrarse. En ese caso, ¿podrían ser materia oscura? Esta pregunta se formuló por primera vez en un artículo de 1987 publicado por JH MacGibbon.

La sección transversal de interacción de los agujeros negros con masa de Planck es la longitud de Planck al cuadrado, del orden 3 por 10 elevado a -65 centímetros al cuadrado (expresada como 2Gh/c³, dónde G es la constante de Newton, h es la constante de Planck y c es la velocidad de la luz). Esta minúscula sección transversal se traduce en un nivel extremo de esterilidad, lo que convierte a los agujeros negros de masa de Planck en candidatos viables para la materia oscura.

Para producir materia oscura, es necesario que haya un agujero negro de masa de Planck por cada 10 elevado a 27 fotones del fondo de microondas. La inversa de este enorme número requiere una pequeña eficiencia de conversión de radiación en agujeros negros de masa de Planck en el universo primitivo. Por ejemplo, la materia oscura podría ser una reliquia de una población de mini agujeros negros de mayor masa que se evaporaron temprano y dejaron agujeros negros de masa de Planck como remanentes.

Para explicar la dinámica de la Vía Láctea, la materia oscura debe tener una densidad de masa local equivalente a 0,4 masas de protones por centímetro cúbico. Esto se traduce en que un agujero negro de masa de Planck atraviesa nuestro cuerpo cada año. Dichos pasajes representan un riesgo insignificante para la salud debido a la pequeña sección transversal para la interacción que poseen estos pequeños agujeros negros. Experimentos de materia oscura existentes establecen límites superiores débiles en la sección transversal de estos pequeños agujeros negros.

Los agujeros negros de masa de Planck podrían ser reliquias de transiciones de fase o desintegración de campos pesados ​​en el Universo temprano. En 1971, Stephen Hawking sugirió que los agujeros negros primordiales podrían estar cargados eléctricamente. Sin embargo, más tarde G. W. Gibbons comprendió por qué cualquier carga de este tipo crearía un enorme campo eléctrico, causando que los agujeros negros perdieran su carga por la inevitable producción de pares electrón-positrón, un efecto calculado en 1951 por Julian Schwinger. Otras razones para considerar reliquias cargadas fueron propuestos más recientemente.

¿Podrían los pequeños agujeros negros aumentar su masa mediante la acreción de materia? Como mostré en un artículo reciente, la acumulación de materia ordinaria en pequeños agujeros negros está fuertemente suprimida por la mecánica cuántica porque el tamaño del horizonte de tales agujeros negros es mucho más pequeño que el tamaño mecánico-cuántico de un núcleo atómico. Es difícil meter a un prisionero regordete en una prisión pequeña.

Debería parecernos humillante que después de 90 años de observar el cielo y buscar materia oscura en nuestros laboratorios, todavía no conozcamos la naturaleza del 85% del contenido de materia del Universo. Estamos hechos del 15% restante que denominamos materia ordinaria, pero hay un sector del Universo completamente desconocido e invisible para nosotros. La situación equivale a ver una obra de teatro en la que los personajes principales son invisibles, fantasmales, e inferimos su existencia a partir del comportamiento de un pequeño número de actores visibles. Teniendo en cuenta este telón de fondo, nuestra experiencia del sector oscuro es superficial. Si la materia invisible da lugar a estrellas, planetas y formas de vida invisibles, entonces nos perdemos la mayor parte de la acción en el cosmos al investigar a estos actores simplemente por su influencia gravitacional sobre la materia visible.

Pero existe la posibilidad de aprender más en el futuro. En un reciente estudio demostré que los observatorios LIGO-Virgo-KAGA son lo suficientemente sensibles como para detectar la señal gravitacional de naves espaciales furtivas de más de cien mil toneladas que se mueven cerca de la Tierra a una velocidad cercana a la de la luz. Los futuros observatorios de ondas gravitacionales, como la Antena espacial de interferómetro láser (LISA), ampliaría esta sensibilidad a masas y velocidades más bajas y nos permitiría aprender más sobre el sector cósmico oscuro.

Sin embargo, si la materia oscura está formada por agujeros negros muy pequeños, es posible que nunca podamos detectarlos directamente.