Agujeros Negros Primordiales: Los Vestigios Invisibles del Universo Joven

El Universo primordial

En el Universo primordial (justo después del Big Bang), la densidad de energía y materia era enorme. En algunos lugares, podían "colapsar sobre sí mismas". Estas fluctuaciones locales podían concentrar aún más esta materia/energía. Cuando esta densidad superaba un umbral crítico, la gravedad prevalecía: la región colapsaba inmediatamente para formar un agujero negro primordial.

En otras palabras, los agujeros negros primordiales (PBH) podrían haberse formado en las primeras fracciones de segundo del Universo, durante fluctuaciones de densidad extremas. A diferencia de los agujeros negros estelares, que resultan del colapso de estrellas masivas, estos tienen su origen en las condiciones iniciales del cosmos. Si una región alcanzaba una sobredensidad local tal que su radio de Schwarzschild \((R_s = 2GM/c^2)\) se volvía comparable a su horizonte causal, se formaba un agujero negro de inmediato.

Masas y escalas características de los agujeros negros primordiales

Las masas posibles de los agujeros negros primordiales cubren un espectro inmenso, desde la escala subatómica \((10^{-5}\,\text{g})\) hasta varias miles de masas solares. La masa está determinada por el instante de formación: un agujero negro formado \(10^{-23}\) segundos después del Big Bang tendría una masa comparable a la de una montaña, mientras que un PBH formado un segundo después podría alcanzar \(10^5 M_{\odot}\).

Agujeros negros primordiales: ¿una nueva pista para resolver los misterios de la materia oscura?

Todavía no sabemos qué es la materia oscura, pero sabemos que representa aproximadamente el 85% de la materia del Universo. Los agujeros negros primordiales (PBH) son una hipótesis para explicar parte (o la totalidad) de esta materia oscura, ya que serían muy numerosos, invisibles (excepto por su gravedad) y formados muy temprano en el cosmos. Podrían ser una forma de materia oscura, pero solo dentro de un rango de masas muy estrecho, ya que las observaciones excluyen la mayoría de los otros escenarios.

Las investigaciones modernas (microlentes gravitacionales, radiación gamma proveniente de la evaporación de Hawking, anisotropías del fondo cósmico de microondas) permiten restringir el rango de masas de los PBH que podrían constituir una fracción significativa de la materia oscura. Los PBH de baja masa (\(<10^{15}\,\text{g}\)) deberían haberse evaporado por completo, mientras que los de masa intermedia están fuertemente limitados por la ausencia de eventos de lente gravitacional.

Firmas indirectas de los agujeros negros primordiales

• Microlentes gravitacionales: Las microlentes gravitacionales se utilizan para detectar si muchos objetos compactos (como PBH) pasan frente a estrellas, pero como no observamos suficientes, esto limita la posible contribución de los PBH de ciertas masas a la materia oscura.
• Radiación gamma: La radiación gamma esperada de la evaporación de pequeños PBH a través del mecanismo de Hawking no se ha detectado, lo que excluye que los PBH de baja masa formen la materia oscura.
• Efectos en el fondo cósmico de microondas (CMB): Las anisotropías del CMB: demasiados PBH masivos perturbarían la evolución del Universo primitivo, lo que no observamos.

Los PBH se consideran hipotéticos y poco consensuados, y su investigación se basa en firmas indirectas.

Estado actual del conocimiento

Hasta la fecha, los agujeros negros primordiales (PBH) siguen siendo principalmente objetos teóricos. Aunque su existencia es físicamente y cosmológicamente posible, aún no hay evidencia directa, y su papel en la materia oscura es muy debatido. Los modelos predicen diversas masas y abundancias, pero la comunidad científica no está de acuerdo sobre su importancia real.

Restricciones observacionales

Fuentes: Sasaki et al., 2016; Niikura et al., 2019.