Los primeros agujeros negros del universo podrían seguir vivos y cambiar todo lo que sabemos sobre la materia oscura, según un nuevo estudio

Un detalle del universo temprano que parecía secundario podría estar reescribiendo la historia de unos objetos extremos nacidos tras el Big Bang. Un nuevo estudio sugiere que su evolución fue más compleja de lo que se pensaba.

Publicado por Eugenio M. Fernández Aguilar

Físico, escritor y divulgador científico

Detalle: Comparación entre el escenario clásico y el nuevo modelo al calcular qué masas de agujeros negros primordiales podrían sobrevivir hasta hoy. Fuente: arXiv + ChatGPT

Los primeros instantes del universo fueron cualquier cosa menos tranquilos. La materia y la radiación estaban comprimidas en un estado extremadamente caliente y denso, y pequeñas irregularidades podían crecer con rapidez. En ese entorno pudieron formarse los llamados agujeros negros primordiales, objetos que no nacieron de estrellas, sino directamente del propio plasma del Big Bang. Si existen, serían auténticos fósiles cósmicos.

Un nuevo trabajo teórico, publicado como preprint y todavía pendiente de revisión por pares, propone que la historia que se contaba sobre ellos podría estar incompleta. Durante años se asumió que los más pequeños terminarían evaporándose lentamente hasta desaparecer. Sin embargo, los autores sugieren que ese destino no siempre fue inevitable si se tiene en cuenta el entorno térmico extremo en el que surgieron.

Un universo que no era un vacío silencioso

En muchas explicaciones divulgativas se habla de agujeros negros como si flotaran aislados en el espacio. Pero el universo temprano no era un vacío oscuro. Era un medio saturado de energía, con radiación en todas direcciones y temperaturas inimaginables. Cualquier objeto compacto formado en ese contexto estaba inmerso en un auténtico océano de energía.

El estudio parte precisamente de esa idea: los agujeros negros primordiales no solo podían perder masa por evaporación, sino también ganarla absorbiendo parte de la radiación que los rodeaba. Los autores lo explican desde el principio del artículo científico: “Estudiamos la evolución de agujeros negros primordiales formados en el universo temprano en presencia de un baño térmico circundante”. La frase puede parecer técnica, pero la idea es sencilla: el entorno importa.

Si la radiación del exterior era más intensa que la emisión del propio agujero negro, entonces la balanza podía inclinarse hacia el crecimiento. En ese caso, en lugar de encogerse desde el primer momento, algunos podrían haber atravesado una fase inicial de engorde rápido antes de empezar a perder masa.

Evolución de la masa de un agujero negro primordial tras su formación. Dependiendo de las condiciones iniciales, el crecimiento puede ser limitado o dispararse antes de que la evaporación tome el control. Fuente: arXiv

Una línea divisoria que cambia el destino

El resultado más llamativo del estudio es que no todos los agujeros negros primordiales se comportarían igual. Existe una especie de frontera en las condiciones iniciales que determina si el crecimiento es moderado o extremadamente intenso. Cuando esa condición supera cierto umbral, la absorción puede volverse tan eficaz que la expansión del universo no logra frenar el aumento de masa.

Los propios autores lo expresan con claridad en el resumen del trabajo: “Encontramos una eficiencia de colapso crítica […] por encima de la cual la masa del PBH crece sin límite”. Traducido al lenguaje cotidiano: hay un punto a partir del cual el agujero negro no solo crece un poco, sino que puede hacerlo de forma descontrolada mientras el entorno lo permita.

En escenarios menos extremos, el crecimiento no es infinito, pero sí considerable. En sus conclusiones indican que, para determinados valores realistas, puede producirse “un aumento de 4 veces en la masa del PBH y una mejora del orden de 10² en el tiempo de vida comparado con el caso estándar”. Es decir, multiplicar por cuatro la masa inicial puede traducirse en una vida cientos de veces más larga.

Ese cambio no es un ajuste menor en una ecuación. Implica que algunos objetos que se creían condenados a desaparecer muy pronto podrían haber sobrevivido durante etapas mucho más prolongadas de la historia cósmica.

Más tiempo de vida significa nuevas consecuencias

Cuando un agujero negro es más masivo, se evapora más lentamente. Por eso, si los primordiales ganaron peso al principio, su desaparición se habría retrasado. Esa simple modificación temporal tiene consecuencias profundas, porque el universo evoluciona con rapidez en sus primeras fases.

Si un agujero negro se evapora antes, inyecta energía en un cosmos todavía muy joven. Si lo hace más tarde, esa energía se libera cuando el universo ya es más grande y menos denso. La diferencia afecta a cómo se distribuye esa energía y a cómo interactúa con la materia existente en ese momento.

El estudio señala que este crecimiento puede alterar tanto el momento como la intensidad del llamado recalentamiento asociado a la evaporación. De hecho, afirma que “la temperatura de recalentamiento puede suprimirse”. En términos sencillos, si los agujeros negros viven más tiempo, el “chorro final” de energía se produce en un universo más expandido, y eso reduce su impacto térmico.

Comparación entre el escenario clásico y el nuevo modelo al calcular qué masas de agujeros negros primordiales podrían sobrevivir hasta hoy. Fuente: arXiv

Este ajuste también afecta a los cálculos sobre cuánta materia oscura podría generarse en estos procesos. Según el resumen del trabajo, el espacio de posibilidades puede experimentar correcciones “del orden de 10 a 10⁴”, dependiendo de las condiciones iniciales. Eso significa que el margen de masas y escenarios compatibles con la materia oscura puede ampliarse de forma notable.

¿Podrían explicar la materia oscura?

La materia oscura es uno de los grandes enigmas actuales. No emite luz, no absorbe radiación de forma detectable, pero su gravedad mantiene unidas galaxias y cúmulos. Una hipótesis recurrente es que parte de esa materia invisible esté compuesta por agujeros negros primordiales que sobrevivieron hasta hoy.

Si el nuevo análisis es correcto, la ventana de masas en la que esos objetos podrían constituir toda la materia oscura cambia de manera significativa. Los autores lo dicen de forma directa: “Nuestros resultados desplazan significativamente el espacio de parámetros en el que los PBH pueden explicar la totalidad de la materia oscura”.

Esto no significa que el misterio esté resuelto. Significa que los cálculos que descartaban ciertos rangos podrían necesitar revisión si no incorporaban el efecto de la absorción térmica inicial. En otras palabras, algunas puertas que parecían cerradas podrían volver a abrirse.

Al mismo tiempo, cualquier escenario debe seguir respetando las observaciones astronómicas actuales. Existen límites muy estrictos derivados de la radiación de fondo, la formación de estructuras y otros fenómenos. El nuevo estudio no elimina esas restricciones, pero sí modifica el punto de partida teórico.

Un ajuste técnico con implicaciones enormes

A primera vista, el trabajo parece centrarse en un detalle técnico: tener en cuenta que el universo temprano era un entorno caliente y no un vacío idealizado. Sin embargo, ese detalle afecta a la masa, la duración y el impacto cosmológico de los agujeros negros primordiales.

Los autores subrayan que, hasta donde saben, este es “el primer estudio fenomenológico completo que incorpora la absorción térmica en la evolución de PBH y cuantifica su impacto en observables cosmológicos”. Esa afirmación resume la ambición del trabajo, es decir, que no se trata solo de añadir un matiz, sino de recalcular consecuencias observables.

Como todo preprint, sus resultados deberán ser evaluados por la comunidad científica. Habrá que comprobar la robustez de los supuestos, explorar otros escenarios y analizar posibles efectos adicionales, como la rotación de los agujeros negros, que el propio estudio deja para trabajos futuros.

Pero si la idea resiste ese escrutinio, el mensaje es potente: algunos de los primeros objetos formados tras el Big Bang podrían haber tenido una fase de crecimiento inesperada. Y ese crecimiento temprano podría estar influyendo todavía hoy en la forma en que entendemos la materia oscura y la evolución del universo.