La explosión de un agujero negro que podría explicar uno de los mayores misterios del universo

Un neutrino con una energía 100.000 veces superior a la de las partículas más potentes del Gran Colisionador de Hadrones chocó contra la Tierra en 2023. Los científicos han intentado desde entonces darle sentido a este desconocido fenómeno cósmico lo suficientemente potente como para crear una partícula así. Ahora, un equipo de físicos de la Universidad de Massachusetts Amherst sugiere que este evento puede ocurrir con la explosión de un tipo especial de agujero negro llamado agujero negro primordial.

La clave está en la radiación de Hawking, un tipo de radiación térmica que los agujeros negros emiten lentamente. Cuanto más caliente está un agujero negro, más rápido pierde esta radiación, dejando escapar masa hasta terminar su vida en una enorme explosión. Los agujeros negros estelares —nacidos cuando estrellas masivas estallan en supernovas— tardarían 10⁶⁷ años en alcanzar esta fase explosiva, muchísimo más que la edad del universo. Pero existe otro tipo de agujero negro, los primordiales, formados directamente por fluctuaciones de densidad en el mar primordial de partículas ultracalientes que llenó el cosmos durante sus primeros momentos tras el Big Bang.

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"Cuanto más ligero es un agujero negro, más caliente debería estar y más partículas emitirá", explica Andrea Thamm, coautora de la investigación aceptada para la publicación en la revista Physical Review Letters. "A medida que los agujeros negros primordiales se evaporan, se vuelven cada vez más ligeros, y, por tanto, más calientes, emitiendo aún más radiación en un proceso descontrolado hasta la exposión. Es esa radiación de Hawking la que nuestros telescopios pueden detectar".

El neutrino imposible

Los agujeros negros primordiales podrían ser extremadamente pequeños, con masas equivalentes a las de un planeta o incluso un asteroide grande, en lugar de las 3 a 5 veces la masa del Sol de los agujeros negros estelares más pequeños. Esta ligereza los haría lo suficientemente calientes como para perder radiación de Hawking de forma eficiente hasta explotar.

El equipo estima que un agujero negro primordial debería explotar con una frecuencia de aproximadamente una vez cada diez años. Si se observara una explosión así, nos daría un catálogo definitivo de todas las partículas subatómicas que existen, incluidas las que hemos observado, como electrones, quarks y bosones de Higgs, las que solo hemos teorizado, como las partículas de materia oscura, y todo lo demás que, hasta ahora, es completamente desconocido para la ciencia.

La partícula imposible fue detectada en 2023 por una red de detectores de neutrinos llamada KM3NeT, ubicada en el mar Mediterráneo. "Observar el neutrino de alta energía fue un evento increíble", señala Michael Baker, investigador de la Universidad de Massachusetts y otro de los autores del estudio. "Nos dio una nueva ventana al universo. Pero ahora podríamos estar al borde de verificar experimentalmente la radiación de Hawking, obteniendo evidencia tanto de agujeros negros primordiales como de nuevas partículas más allá del Modelo Estándar, y explicando el misterio de la materia oscura".

Sin embargo, hay algo que no termina de cuadrar en este asunto. El evento no fue captado por un detector de neutrinos similar llamado IceCube, situado en el Polo Sur, y diseñado específicamente para detectar neutrinos de alta energía. Los sensores de IceCube no han captado ni una de estas partículas, ni siquiera una de un 1/100 de la energía del neutrino imposible. Si un agujero negro primordial explota una vez por década, IceCube debería ser bombardeado con neutrinos de alta energía. Pero entonces, ¿dónde están?

El electrón oscuro

El equipo tiene una teoría: "Creemos que los agujeros negros primordiales con una carga oscura —lo que llamamos agujeros negros primordiales cuasi-extremales [es decir, con una carga eléctrica tan grande que modifica su comportamiento]— son el eslabón perdido", dice Joaquim Iguaz Juan, investigador postdoctoral de la universidad y otro de los firmantes de la investigación. Una carga oscura es una versión de la fuerza electromagnética que conocemos, pero que no es transportada por un electrón estándar, sino por un pariente mucho más pesado, una partícula hipotética llamada electrón oscuro.

"Hay otros modelos más simples de agujeros negros primordiales por ahí", añade Baker. "Nuestro modelo de carga oscura es más complejo, lo que significa que puede proporcionar un modelo más preciso de la realidad. Lo increíble 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 hacen comportarse de manera diferente a un agujero negro primordial estándar, y eso podría no solo explicar el neutrino imposible, sino también 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 luz. Esto significa que, a pesar de superar en peso a las partículas ordinarias en una proporción de 5 a 1, la materia oscura es invisible y su origen desconocido. "Si nuestra hipotética 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", concluye Iguaz Juan.