Una partícula “imposible” increíblemente energética que golpeó la Tierra en 2023 puede haber sido restos de la explosión de un agujero negro primordial formado durante el Big Bang. Si ese es el caso, entonces podría probar la existencia de agujeros negros primordiales, lo que podría ayudar a explicar de qué está hecha la “materia” más misteriosa del universo, la materia oscura.
La partícula en cuestión era un neutrino con una energía 100.000 veces mayor que la de las partículas de mayor energía producidas por el acelerador de partículas más grande y potente del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). De hecho, la partícula era tan energética que los científicos no conocen ningún fenómeno cósmico natural lo suficientemente poderoso como para crearla.
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La clave de las explosiones de agujeros negros es la fuga de radiación de Hawking, un tipo de radiación térmica que lleva el nombre del físico Stephen Hawking, quien propuso por primera vez su existencia en 1974. Cuanto más caliente es un agujero negro, más rápido pierde radiación de Hawking, perdiendo masa y finalmente acabando con su vida en una explosión masiva.
El problema es que cuanto más grande es un agujero negro, más frío es y más lentamente pierde radiación térmica hacia su entorno. Por lo tanto, incluso los agujeros negros de masa estelar más pequeños, nacidos cuando estrellas masivas se convierten en supernovas al final de sus vidas, tardarían unos 10^67 años, mucho más que la edad del universo, en filtrar suficiente radiación para alcanzar esta etapa explosiva.
Sin embargo, Hawking también teorizó que puede existir otro tipo de agujero negro, uno que no nace de la muerte de una estrella sino directamente de fluctuaciones de densidad en el “mar primordial” de partículas ultracalientes que llenaron el cosmos durante sus primeros momentos después del Big Bang. Y debido a que estos agujeros negros primordiales pueden ser extremadamente pequeños, con masas de hasta la de un planeta o incluso la de un asteroide grande en lugar de 3 a 5 veces la masa del Sol, como los agujeros negros de masa estelar más pequeños, entonces podrían estar lo suficientemente calientes como para filtrar radiación de Hawking con suficiente eficiencia como para explotar.
“Cuanto más ligero sea un agujero negro, más caliente debería ser y más partículas emitirá”, dijo en un comunicado Andrea Thamm, miembro del equipo de la Universidad de Massachusetts Amherst. “A medida que los agujeros negros primordiales se evaporan, se vuelven cada vez más livianos y, por lo tanto, más calientes, emitiendo aún más radiación en un proceso desbocado hasta la explosión. Es esa radiación de Hawking la que nuestros telescopios pueden detectar”.
Los astrónomos detrás de esta investigación estiman que un agujero negro primordial debería explotar con una frecuencia de aproximadamente uno cada diez años aproximadamente. Hasta ahora, no se ha detectado ninguna de estas explosiones y, por lo tanto, los agujeros negros primordiales y la radiación de Hawking siguen siendo puramente teóricos. Esto es, por supuesto, a menos que se descubriera evidencia de la explosión de un agujero negro primordial gracias a un tipo diferente de detección, cuya verdadera naturaleza no se comprendió de inmediato.
La partícula imposible
El neutrino increíblemente energético fue detectado en 2023 por una red de detectores de neutrinos llamada KM3NeT ubicada en el mar Mediterráneo.
“La observación del neutrino de alta energía fue un evento increíble”, dijo Michael Baker, miembro del equipo e investigador de la Universidad de Massachusetts Amherst. “Nos dio una nueva ventana al universo. Pero ahora podríamos estar en la cúspide de verificar experimentalmente la radiación de Hawking, obtener evidencia tanto de agujeros negros primordiales como de nuevas partículas más allá del Modelo Estándar, y explicar el misterio de la materia oscura”.
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Sin embargo, hay un problema. El evento no fue captado por un detector de neutrinos similar llamado IceCube, situado en lo profundo del hielo del Polo Sur. Eso fue un problema, porque IceCube fue diseñado específicamente para detectar neutrinos de alta energía y, sin embargo, nunca detectó una de estas partículas con ni siquiera 1/100 de la energía del neutrino imposible.
Si un agujero negro primordial explota una vez cada década, entonces IceCube debería ser bombardeado con neutrinos de alta energía. Entonces ¿dónde están?
El equipo de la Universidad de Massachusetts Amherst tiene una teoría.
“Creemos que los agujeros negros primordiales con una ‘carga oscura’, lo que llamamos agujeros negros primordiales cuasi extremos, son el eslabón perdido”, dijo Joaquim Iguaz Juan, miembro del equipo de la Universidad de Massachusetts Amherst.
Una “carga oscura” es una versión de la fuerza electromagnética con la que estamos familiarizados, pero no la transporta un electrón estándar, sino un pariente mucho más pesado, una partícula hipotética llamada “electrón oscuro”.
“Existen otros modelos más simples de agujeros negros primordiales”, dijo Baker. “Nuestro modelo de carga oscura es más complejo, lo que significa que puede proporcionar un modelo más preciso de la realidad. Lo que es genial es ver que nuestro modelo puede explicar este fenómeno que de otro modo sería inexplicable”.
Un agujero negro primordial con carga oscura tendría propiedades únicas que lo harían comportarse de manera diferente a un agujero negro primordial estándar, y eso no solo podría explicar el neutrino imposible sino que también podría resolver el misterio de qué es realmente la materia oscura.
La materia oscura ha sido tan problemática porque, a diferencia de las partículas que componen la materia estándar, no interactúa con la radiación electromagnética o “luz”. Esto significa que, a pesar de pesar más que las partículas ordinarias en una proporción de 5 a 1, la materia oscura es efectivamente invisible y totalmente misteriosa. Un posible candidato para la materia oscura son los agujeros negros primordiales.
“Si nuestra hipótesis sobre la carga oscura es cierta, entonces creemos que podría haber una población significativa de agujeros negros primordiales, lo que sería consistente con otras observaciones astrofísicas y explicaría toda la materia oscura que falta en el universo”, concluyó Iguaz Juan.
La investigación del equipo fue aceptada para su publicación en la revista Physical Review Letters.