Por qué los agujeros negros pueden constituir toda la materia oscura

Ningún experimento terrestre ha observado signos de partículas de materia oscura. Tal vez debido a que la materia oscura es una cosa totalmente diferente.

Agujero negro simulado frente a la Gran Nube de Magallanes.

La materia oscura es el misterioso material que los cosmólogos creen que llena nuestro Universo. Las pruebas de su existencia son que no hay suficiente materia visible para mantener unidas las galaxias. Pero dado que es manifiesto que las galaxias no se desmiembran, debe haber un material invisible, algo de masa perdida, que genere la fuerza gravitatoria suficiente para mantenerlas unidas.

Pero hay un par de problemas con esta idea. El primero es que la mejor apuesta de los físicos sobre las leyes de la física da una buena descripción de todas las partículas descubiertas hasta el momento, y no se espera que se descubran muchas pronto. El problema es que ninguna de estas partículas tiene las propiedades adecuadas para ser materia oscura, es decir, ser eléctricamente neutra, de vida larga y movimiento lento. Pero ninguna de las partículas conocidas o de las teorizadas encaja bien. Para hacer sitio a las partículas de materia oscura, las leyes de la física deben cambiar de una forma con la que muchos teóricos no se sienten a gusto.

Segundo, a pesar de una década de búsqueda de materia oscura con experimentos que cuestan decenas de millones de dólares, nadie ha visto este tipo de materia. La mayor parte de físicos creen que estos experimentos no han encontrado nada, cero.

Es difícil escapar a la conclusión de que se necesita otra explicación para la masa perdida.

La sugerencia de Paul Frampton, de la Universidad de Carolina del Norte, es que la masa perdida está hecha de agujeros negros que son demasiado pequeños para verlos directamente, pero demasiado grandes para haberse evaporado debido a la "radiación de Hawking".

Pero esta idea es algo más que otra apuesta loca. Frampton y sus colegas tienen un argumento interesante basado en la entropía para respaldar sus afirmaciones. Es algo así.

Primero determinan qué entropía máxima podría tener el Universo, imaginando que todo el Universo visible es un gigantesco agujero negro. La respuesta resultó ser 10¹²³, un número realmente grande. Por lo que ese es el límite superior que puede tener la entropía.

Luego, calcularon un límite inferior sumando la entropía de todos los agujeros negros conocidos en el Universo. Lo calcularon suponiendo que hay un agujero negro gigante en el centro de cada galaxia, una visión que cada vez es apoyada por más astrofísicos.

Eso da la cifra de 10¹⁰³, una magnitud bastante menor.

Esto es una gran cantidad de entropía, está claro, pero Frampton y sus compañeros creen que es improbable que sea el principal contribuyente de nuestro Universo. "Cada agujero negro supermasivo tiene aproximadamente el tamaño de nuestro Sistema Solar o menos, y es intuitivamente improbable que, básicamente, toda la entropía esté tan concentrada", comenta. Por lo que otra cosa debe estar generando entropía en algún sitio.

No puede ser la materia visible dado que los cálculos convencionales indican que la entropía suma sólo 10⁸⁸. Lo que falta es la entropía de la masa oscura perdida.

¿Qué tipo de agujeros negros podrían ser responsables de esto? Resulta que cualquier agujero negro mayor de 10⁶ masas solares causaría que la materia cercana cayese en espiral hacia él, evitando que se formasen las galaxias. Y cualquiera menor de 10^-8 masas solares se habría evaporado.

Por lo que la conclusión es que la materia oscura está hecha de agujeros negros con una masa entre 10⁶ y 10^-8 masas solares.

Pero también hay un problema con esta idea. ¿Cómo podría haber surgido un número tan grande de agujeros negros en los inicios del Universo? Algo debió provocar que la materia se agrupase a esta escala para formar los agujeros negros. Pero no hay nada que indique cómo podría haber sucedido esto en la actual teoría de la inflación, que describe cómo creció el joven Universo.

Eso lo resuelven fácilmente Frampton y sus colegas: debe haber dos periodos de inflación. El primero llevó a la estructura a gran escala del Universo que vemos y ha sido medida por naves como WMAP. El segundo llevó a la acumulación que creó grandes números de agujeros negros primordiales de tamaño medio.

Esta es una explicación algo más fácil de digerir que una en la que deben cambiar las leyes de la física para crear nuevas partículas de materia oscura. Pero sólo un poco.

No obstante las ideas de Frampton pueden comprobarse buscando pruebas de estos agujeros negros primordiales, que deberían causar eventos de microlente: es decir, su gravedad debería enfocar la luz de estrellas por detrás de ellos vistas desde la Tierra.

Ese tipo de medidas se están haciendo más fáciles por lo que debería ser posible aceptar o rechazar las ideas de Frampton en un futuro no muy lejano.

Imagen: Simulación de un agujero negro frente a la Gran Nube de Magallanes.

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