Un extraño tipo de agujero negro podría resolver tres misterios cósmicos en uno

El espacio-tiempo se está separando. Cada segundo que pasa, el universo se expande cada vez más rápido. Sin embargo, lo que está impulsando esta espectacular aceleración es un enigma: un enigma que los científicos conocen y buscan desde hace décadas. Aún así, no estamos más cerca de entenderlo. La llamamos energía oscura, pero no sabemos casi nada sobre qué es ni de dónde viene. Sin embargo, constituye alrededor del 68 por ciento del universo.

Sería razonable, sin embargo, suponer que este misterio no tiene nada que ver con los agujeros negros: gigantes tan gravitacionalmente poderosos que una vez que algo es atraído más allá de cierto punto, nunca puede escapar. Atraen materia hacia ellos, entonces, ¿cómo podrían estar impulsando la expansión del universo? Sin embargo, eso es exactamente lo que sugiere un pequeño grupo de astrofísicos.

La historia es la siguiente: toda la materia que cae en los agujeros negros pasa por un proceso que la convierte en una especie de radiación. Esto, a su vez, ejerce una fuerza sobre el espacio que lo rodea. Un efecto así sería demasiado pequeño para notarlo en el entorno inmediato, pero si sumamos todos los agujeros negros del universo, comienza a acumularse hasta convertirse en algo que podría estar alejando todo inexorablemente de todo lo demás.

Esta idea descabellada comenzó de forma marginal y ha aparecido en muchas versiones a lo largo de las décadas. Pero cada vez más cosmólogos le han prestado atención en los últimos años, ya que resulta que ofrece una posible explicación no para uno, ni dos, sino tres misterios del universo. “Ya no es algo marginal”, dice Kevin Croker, cosmólogo de la Universidad Estatal de Arizona. “Es muy controvertido, pero no marginal”.

Los agujeros negros se presentan como una fuente potencial de energía oscura precisamente porque son muy desconcertantes. “La mayoría de las estructuras del universo, como las galaxias y los cúmulos, tienen muy poco efecto sobre la energía oscura. Pero siempre ha habido una posible excepción”, dice Niayesh Afshordi, cosmólogo de la Universidad de Waterloo en Canadá. “Agujeros negros [after all] Son mucho más misteriosos que todo lo demás”.

Singularidad del agujero negro

Todo se reduce al punto en el centro de un agujero negro donde la gravedad es tan fuerte que la materia se comprime hasta alcanzar una densidad infinita. Conocida como una singularidad astrofísica, siempre se ha visto como una especie de marcador de posición para la física que aún no entendemos. “Nadie cree en una singularidad”, afirma Gregory Tarlé, cosmólogo y astrofísico de la Universidad de Michigan, figura destacada en el estudio de estos agujeros negros cosmológicamente acoplados, llamados así porque estarían acoplados con el comportamiento a gran escala del cosmos. En realidad, dice, algo impide que se forme una singularidad. “Lo que lo detendrá es si la materia que está causando este colapso de alguna manera se convierte en energía oscura”.

Nadie sabe exactamente cómo sucedería. Pero Tarlé lo compara con los primeros momentos del universo, cuando todo era una sopa caliente de radiación. En los momentos posteriores al big bang, el cosmos se enfrió y gran parte de esa radiación se fusionó en materia. Dentro de los agujeros negros cosmológicamente acoplados, ese proceso ocurriría a la inversa. Sin embargo, esto no afectaría su atracción gravitacional, que se basa en la densidad de energía, no específicamente en la materia.

“Si se intenta comprender cómo una sola partícula de polvo puede convertirse en radiación, no se sabe”, afirma Massimiliano Rinaldi, físico y cosmólogo de la Universidad de Trento, en Italia. “Pero suponemos que puede suceder; esta conversión no es tan descabellada como parece”.

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Durante mucho tiempo, ha habido consenso en que los agujeros negros sólo pueden afectar realmente a su entorno inmediato. “La idea era algo así como ‘lo que sucede en Las Vegas, se queda en Las Vegas’, pero eso no es cierto”, dice Croker, uno de los pioneros del concepto de agujero negro cosmológicamente acoplado. “A la gente le gusta presentar un argumento de causalidad: ¿por qué estas cosas de aquí podrían afectar a cosas que están tan lejos? Pero no es sólo una de ellas, son toneladas de ellas y están por todas partes. Es este efecto agregado”.

Si arrojas un montón de materia en un único agujero negro cosmológicamente acoplado, es posible que no afecte al cosmos en general, dice. Por otro lado, si tuvieras una flota de camiones volquete cósmicos vertiendo materia en estos agujeros negros por todo el universo, podrías acelerar su expansión. Es un poco como un globo lleno de muchos globos más pequeños: infla los más pequeños y el grande se verá obligado a expandirse también. Si estos agujeros negros son reales, entonces, como población, deben estar indisolublemente ligados a la estructura general del cosmos.

Evidencia de agujeros negros cosmológicamente acoplados

Y tampoco todo es teórico. La primera evidencia de que los agujeros negros pueden estar cosmológicamente acoplados llegó en 2023 con la revelación de Croker, Tarlé y sus colegas de que los pequeños globos, de hecho, parecen estar expandiéndose: los agujeros negros en todo el universo parecen estar creciendo a velocidades inesperadamente altas. Incluso lo que Croker llama agujeros negros supermasivos “máximamente aburridos”, que apenas deberían estar creciendo, están manteniendo el ritmo de la expansión del universo. “Fue la primera vez que vimos algo significativo que decía que una vez que se forman los agujeros negros, crean esta energía oscura, y luego la [dark] La energía crece a medida que el universo se expande”, afirma Tarlé.

Quizás la mayor objeción a esta hipótesis es que no tenemos idea de cómo serían los agujeros negros cosmológicamente acoplados ni de cómo se comportarían exactamente. “El problema es que no tenemos una solución matemáticamente precisa que describa estos objetos: tenemos un promedio”, dice Rinaldi. Sin esa solución, es imposible decir, por ejemplo, si el comportamiento de los agujeros negros cosmológicamente acoplados cuando se fusionan coincidiría con las observaciones que tenemos de ese proceso. “La tarea es muy, muy difícil porque las ecuaciones son horribles, pero podría haber un gran avance en algún momento; sólo se necesita tiempo”, afirma.

En los pocos años transcurridos desde que se desarrolló la idea por primera vez, el tiempo y la investigación intensiva han hecho que de ser algo rechazado por muchos cosmólogos serios se convierta en algo que al menos se considera plausible. Una razón para esto es que parece coincidir con algunos resultados recientes y desconcertantes del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI) en Arizona.

Los resultados de DESI

DESI está midiendo la ubicación de millones de galaxias en todo el universo, construyendo un mapa preciso de cómo han cambiado las distancias entre ellas a lo largo de la historia cósmica. Esas distancias nos permiten calcular qué tan rápido se expandió el universo a lo largo de varias épocas. Y en el transcurso de los últimos dos años, se han publicado los primeros resultados. Sugieren que la energía oscura puede estar debilitándose con el tiempo, lo cual fue una bomba: el modelo estándar de cosmología requiere que la energía oscura sea constante. “Al ver los datos por primera vez, nos quedamos boquiabiertos”, dice Tarlé. “Estaba muy claro que la energía oscura estaba cambiando con el tiempo”.

Pero si los efectos de la energía oscura provienen del acoplamiento cosmológico con los agujeros negros, los resultados de DESI tienen sentido. La formación de agujeros negros sigue la misma tendencia que la formación de estrellas, que alcanzó su punto máximo hace unos 10 mil millones de años y ha ido desacelerando constantemente desde entonces. Esto no sólo explicaría la cantidad cada vez menor de energía oscura insinuada por DESI, sino que también ayudaría a explicar otro gran misterio cósmico.

La tensión de Hubble se relaciona con una discrepancia entre las dos formas principales de calcular la expansión del universo, una basada en mediciones de objetos relativamente cercanos y otra basada en el uso del modelo estándar de cosmología para extrapolar hacia adelante a partir de mediciones de la luz restante del Big Bang. Agregar agujeros negros cosmológicamente acoplados a nuestro modelo de cosmología puede no resolver completamente este problema, pero alivia significativamente la tensión al proporcionar una explicación de por qué los dos métodos arrojan resultados contradictorios: los momentos que exploran en la historia cósmica habrían tenido diferentes tasas de expansión.

Hay varias otras explicaciones propuestas para la tensión de Hubble y el aparente debilitamiento de la energía oscura, pero tienden a depender de fenómenos hipotéticos exóticos más allá de nuestra comprensión estándar de la física. “[The idea of cosmologically coupled black holes] “Se basa en la relatividad general y nada más, y eso es una ventaja”, afirma Rinaldi. Quizás resulte sorprendente que esto la convierta en una propuesta relativamente conservadora en el contexto de estos dos problemas.

Ahora, Tarlé, Croker y un grupo de colegas han añadido otra evidencia a lo que llaman un “taburete de tres patas” de observaciones que se alinean con sus predicciones. Este tramo final es un poco diferente de los otros dos, en el sentido de que es un misterio en la física de partículas. El comportamiento del universo permite a los cosmólogos crear un presupuesto de cuánta masa contiene, que luego puede usarse para calcular la masa de cada tipo de partícula.

Eso está muy bien, excepto cuando se trata de neutrinos, partículas diminutas (pero, sobre todo, no sin masa) que interactúan tan raramente con otra materia que a veces se las denomina “partículas fantasma”. Teniendo en cuenta los nuevos datos DESI, los neutrinos necesitarían tener una masa negativa para que funcionen los cálculos presupuestarios. Como no se debe permitir que sea negativo, debe ser cero.

Pero si la materia se convierte en energía oscura dentro de los agujeros negros, eso afecta el equilibrio del cosmos. Los agujeros negros cosmológicamente acoplados harían espacio en el presupuesto de masa al convertir materia regular en energía oscura. Resulta que crearían suficiente margen de maniobra para que los neutrinos no sólo tuvieran una masa positiva, sino que se alineara con las mediciones experimentales.

¿Son estas tres pruebas suficientes para sacar del frío la hipótesis de los agujeros negros cosmológicamente acoplados? “En este momento, el banco de pruebas que hemos ofrecido tiene tres patas. Creemos que podemos sentarnos sobre él”, dice Croker. “Otras personas en la comunidad pueden pensar que es peligrosamente chiflado, pero mi esperanza es que, en algún momento, otras personas también se sumen a esto”.

Eso ya ha empezado a suceder. La investigación anterior sobre agujeros negros cosmológicamente acoplados fue realizada por pequeños grupos de investigación, cada uno con sólo un puñado de colaboradores, pero el último artículo, sobre las masas de neutrinos, tiene 50 coautores.

Como siempre ocurre con este tipo de propuestas controvertidas, lo que los investigadores realmente necesitan son mejores modelos (en este caso, soluciones a las “horribles” ecuaciones) y más datos. Esto último, al menos, está por llegar. DESI todavía está recopilando más observaciones de galaxias y se están realizando otros estudios importantes del universo. “Es una historia de detectives: hay un sospechoso obvio que actúa de manera muy sospechosa y hay un crimen evidente”, dice Afshordi. Con tres pistas de que los agujeros negros pueden estar detrás de la expansión acelerada del universo, cada vez más detectives se dedican al caso. “Pero, por supuesto, la parte difícil es establecer esa conexión”.

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