Una nueva investigación sugiere que los agujeros negros reliquias anteriores al Big Bang aún pueden dar forma a las galaxias actuales. Estos agujeros negros podrían explicar la materia oscura, una de las mayores cuestiones sin resolver en cosmología.
En términos generales, los agujeros negros son regiones del espacio-tiempo donde la materia se comprime en un espacio diminuto. La materia oscura, por su parte, es materia que no refleja ni absorbe la luz. Sabemos que existe debido a su influencia gravitacional sobre las galaxias y otras estructuras cósmicas.
Puede verse como el “pegamento” que mantiene unidas a las galaxias, pero no sabemos de qué está hecho en un nivel fundamental. La mayoría de los físicos creen que la materia oscura está compuesta de una partícula subatómica aún no descubierta.
Pero los antiguos agujeros negros anteriores al Big Bang también cumplen los requisitos. Son oscuros, pero también tienen masa: exactamente las propiedades necesarias.
He explorado esta idea en un nuevo artículo. Por supuesto, la idea de los agujeros negros reliquia también requiere un replanteamiento del propio Big Bang.
Durante casi un siglo, los cosmólogos rastrearon la historia del universo hasta este único y dramático momento. Pero tal vez este no fuera el comienzo absoluto de los tiempos. Quizás existió un universo antes del Big Bang.
En este escenario, el universo colapsó antes de sufrir una expansión. El Big Bang representa la transición entre las dos fases.
El modelo del Big Bang ha tenido un éxito notable. Explica el fondo cósmico de microondas (el resplandor del universo primitivo) y predice la distribución a gran escala de las galaxias con una precisión asombrosa.
Pero en la teoría de la relatividad general de Einstein, también es una singularidad: un punto donde la densidad se vuelve infinita y las leyes conocidas de la física se desmoronan.
Muchos físicos interpretan esto no como una realidad física, sino como una señal de que falta algo. Las singularidades se parecen menos a objetos físicos y más a advertencias matemáticas: nos dicen que nuestras teorías actuales no pueden describir los primeros momentos del universo.
Un rebote, no una explosión
Una alternativa es una cosmología rebotante. En esta imagen, el universo atraviesa una fase de contracción antes del Big Bang, alcanzando una densidad extremadamente alta, pero finita. En lugar de colapsar en una singularidad, rebota, comenzando una nueva fase de expansión.
Los modelos de rebote se han explorado durante décadas y a menudo requieren modificaciones en la gravedad o nuevos ingredientes exóticos. Pero nuestro trabajo muestra que un rebote puede surgir como una solución regular dentro de la física estándar, cuando se tienen en cuenta consistentemente la gravedad y los efectos de la mecánica cuántica (las leyes que gobiernan la naturaleza en las escalas más pequeñas).
En la cosmología estándar, al big bang le sigue rápidamente un período en el que el universo primitivo atraviesa un período de expansión rápida y exponencial. Esta etapa, conocida como inflación, borra efectivamente todo rastro de estructuras anteriores.
La situación es diferente para un universo que rebota. En nuestro trabajo descubrimos que objetos de más de 90 metros podrían haber sobrevivido a la transición del colapso a la expansión.
Esto deja atrás “reliquias” que contienen información de una época cósmica anterior. Estas reliquias pueden incluir agujeros negros, ondas gravitacionales y fluctuaciones de densidad.
La física cuántica contiene una poderosa pista de cómo esto es posible. Según el principio de exclusión de Pauli, piedra angular de la teoría cuántica, la materia se “degenera” a densidades extremadamente altas. La materia genera una presión que resiste una mayor compresión incluso en ausencia de calor.
En nuestro modelo, opera un efecto similar a escalas cosmológicas. Puede explicar por qué el universo no colapsa por completo y por qué las estructuras formadas antes o durante el rebote pueden sobrevivir hasta la fase de expansión.
Sobreviviendo al apocalipsis
Identificamos dos rutas principales a través de las cuales pueden surgir agujeros negros reliquia.
El primero es la supervivencia directa. Los objetos compactos y las perturbaciones (fluctuaciones de densidad o gravedad) generadas durante la fase de colapso del universo pueden persistir durante el rebote.
La segunda ruta es aún más intrigante. Durante la contracción, la materia se acumula naturalmente bajo la gravedad, formando estructuras similares a los halos que albergan las galaxias en la actualidad. Después del rebote, pueden colapsar eficientemente en agujeros negros.
Las galaxias y estrellas de la fase de contracción colapsan efectivamente en agujeros negros, borrando la mayor parte de su estructura detallada pero preservando su masa.
¿Podrían estos agujeros negros ser materia oscura? Durante décadas, la principal candidata ha sido una partícula fundamental, pero no se ha detectado ninguna a pesar de extensas búsquedas.
Los agujeros negros reliquia ofrecen una alternativa convincente. Si el rebote produce una cantidad suficiente de ellos, podrían constituir una fracción significativa (quizás dominante) de la materia oscura.
Esta idea también puede conectarse con uno de los enigmas observacionales más intrigantes de los últimos años.
El Telescopio Espacial James Webb (JWST) ha revelado una población de objetos compactos y extremadamente rojos en el universo temprano, a veces llamados “pequeños puntos rojos”. Estas fuentes astronómicas parecen ser inesperadamente masivas y luminosas sólo unos cientos de millones de años después del Big Bang.
Muchos astrónomos sospechan que están asociados con agujeros negros de rápido crecimiento, tal vez las semillas de los agujeros negros supermasivos que se encuentran hoy en los centros de las galaxias. Pero su existencia es difícil de explicar dentro de la cosmología estándar. ¿Cómo pudieron formarse objetos tan masivos tan rápidamente?
Los agujeros negros reliquia proporcionan una explicación natural. Si ya existieran semillas masivas inmediatamente después del rebote, el universo primitivo no necesitaría empezar de cero. Los agujeros negros supermasivos podrían surgir de supervivientes antiguos en lugar de objetos recién formados.
En este sentido, es posible que JWST ya esté vislumbrando a los descendientes de las reliquias anteriores al rebote.
Un nuevo marco cosmológico
En conjunto, el escenario de rebote ofrece una forma unificada de abordar varios problemas de larga data en cosmología.
La singularidad del Big Bang es reemplazada por una transición cuántica. Esta transición podría estar relacionada con el concepto de “puente Einstein-Rosen”: un vínculo matemático entre dos regiones dispares del espacio-tiempo. La inflación surge naturalmente de la dinámica cercana al rebote. La energía oscura puede relacionarse con la estructura global de un universo finito. La materia oscura puede estar compuesta de reliquias de agujeros negros; tal vez nuestro propio universo comenzó como uno solo. Las ondas gravitacionales podrían transportar señales de una fase cósmica anterior. Los agujeros negros supermasivos pueden tener orígenes antiguos consistentes con observaciones recientes del JWST.
Queda mucho trabajo por hacer. Estas ideas deben probarse con datos, desde fondos de ondas gravitacionales hasta estudios de galaxias y mediciones de precisión del fondo cósmico de microondas.
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Pero la posibilidad es profunda: es posible que el Universo no haya comenzado ni una sola vez, pero puede que se haya recuperado. Y las estructuras oscuras que dan forma a las galaxias actuales podrían ser reliquias de una época anterior al Big Bang.
Enrique Gaztanaga, Profesor de Astrofísica del Instituto de Cosmología y Gravitación de la Universidad de Portsmouth
Este artículo se vuelve a publicar desde The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.