Investigan cómo surgieron agujeros negros en los primeros instantes tras el Big Bang

La posibilidad de que el universo primitivo albergara una diversidad de objetos cósmicos, como agujeros negros y estrellas caníbales, ha sido planteada por un reciente estudio realizado por un equipo de la SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati).

Esta investigación sugiere que, en los instantes inmediatamente posteriores al Big Bang, las interacciones entre partículas podrían haber dado lugar a una fenomenología física mucho más compleja de lo que se pensaba hasta ahora.

El trabajo publicado en Physical Review D parte de la hipótesis, respaldada por ciertos modelos cosmológicos, de que existió una era dominada por la Materia Temprana (EDMT) en las primeras fases del universo.

Durante este periodo, anterior a la formación de los elementos atómicos, las partículas habrían podido condensarse en halos de materia. Según los autores, si estos halos colapsaron bajo su propia gravedad, el resultado habría sido la creación de los primeros agujeros negros, así como de estructuras aún más inusuales.

Para los autores, la reconstrucción de la historia cósmica ha avanzado considerablemente en los últimos años, lo que permite detallar eventos como la inflación —la rápida expansión inicial— y la nucleosíntesis primordial, que tuvo lugar entre diez segundos y veinte minutos después del Big Bang y marcó la formación de los primeros núcleos atómicos más pesados que el hidrógeno.

Sin embargo, el intervalo entre estos dos hitos permanece poco explorado. Los investigadores explican que, en ese lapso, “una posibilidad intrigante es que, durante este intervalo, la materia dominara temporalmente el universo”. En tal escenario, la formación natural de halos de materia sería factible, y las interacciones entre partículas podrían desencadenar un colapso gravotérmico, generando objetos compactos como agujeros negros y otras estructuras exóticas.

Entre los objetos propuestos, destacan las estrellas caníbales, que se diferencian de las estrellas convencionales porque su energía proviene de la autoaniquilación de partículas, en lugar de la fusión nuclear. Los autores también consideran la posible existencia de estrellas de bosones, cuya formación estaría sustentada por la naturaleza cuántica de las partículas involucradas. Estas estrellas habrían existido durante apenas unos segundos en el universo recién nacido, antes de colapsar y transformarse en agujeros negros primordiales (PBH, por sus siglas en inglés). Otra vía posible es la formación directa de PBH a partir del colapso de los halos de materia.

El estudio detalla que los halos generados durante una EDMT tendrían masas inferiores a 10²⁸ gramos, y que su colapso gravotérmico podría haber originado agujeros negros primordiales aún más pequeños. Mediante un modelo teórico simplificado, los investigadores demostraron que, en ciertos casos, la producción de estos agujeros negros podría ser tan abundante que entraría en conflicto con las observaciones actuales. En otros escenarios, los PBH formados tendrían masas comparables a las de un asteroide, lo que podría ofrecer una explicación para la totalidad de la materia oscura del universo.

Algunos de estos agujeros negros primordiales, según el estudio, se habrían evaporado rápidamente: desaparecieron antes de la nucleosíntesis primordial, es decir, antes de la formación de átomos ligeros como el hidrógeno y el helio. Esta evaporación temprana evitaría que dejaran huellas observables en la composición actual del cosmos.

Los autores subrayan que estos resultados abren nuevas líneas de investigación. “Sería interesante explorar la formación de estrellas caníbales y estrellas de bosones en el universo actual, a través del colapso de halos de materia oscura autointeractuantes. Además, aunque más especulativo, el estudio de la formación estelar y la acreción en modelos de partículas simples podría proporcionar nuevos conocimientos sobre los complejos procesos astrofísicos que dan forma a nuestro universo”, plantearon los autores en el trabajo.

Al tiempo que repasaron: “Proponemos un nuevo escenario para la formación de agujeros negros primordiales, que en particular pueden tener masas similares a las de los asteroides”.