Astrónomos captaron una señal inédita que podría revelar datos sobre el origen de la materia oscura

Una posible señal de onda gravitacional registrada al final de 2023 ha abierto la puerta a la confirmación experimental de los agujeros negros primordiales, uno de los grandes desafíos no resueltos de la cosmología moderna. Tras analizarla, dos astrofísicos de la Universidad de Miami afirman que su hallazgo podría marcar un avance en la comprensión de la materia oscura, la sustancia invisible responsable del 85% de la masa total del universo.

El trabajo realizado, que será publicado en The Astrophysical Journal, sostiene que la detección de este fenómeno —un agujero negro de menos de una masa solar— permite plantear que estos objetos originados en el universo temprano jugarían un papel central en la estructura y evolución del cosmos.

El artículo, disponible en arXiv, expone que la explicación más plausible para la señal de LIGO es la detección de un agujero negro primordial, fenómeno planteado por primera vez por los soviéticos Yakov Zeldovich e Igor Novikov en los años setenta y popularizado por Stephen Hawking.

Según Nico Cappelluti, profesor asociado del Departamento de Física de la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Miami, el equipo está convencido de que las pruebas enviadas por LIGO “podrían respaldar la existencia de estos agujeros negros formados en ambientes extremadamente densos justo después del Big Bang”. Esta línea de investigación podría determinar si estos objetos constituyen de hecho una fracción significativa, o incluso la totalidad, de la materia oscura.

La señal de LIGO y su interpretación pionera

El descubrimiento central se originó a partir de la notificación automática que el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) emitió en noviembre de 2023: una señal de onda gravitacional asociada a la fusión de dos objetos, de los cuales al menos uno poseía una masa inferior a la del Sol. Hasta ahora, los agujeros negros detectados por LIGO y otros instrumentos tenían siempre al menos entre unas pocas y miles de millones de veces la masa solar, ya que, como explicó Cappelluti a la Universidad de Miami, los agujeros negros convencionales “se forman por la muerte de una estrella masiva (supernova), lo que determina su rango de masas”.

La rareza de este evento ha avivado la hipótesis de que LIGO haya detectado, por primera vez, un agujero negro subsolar no resultado de colapso estelar, sino remanente del universo primitivo.

Alberto Magaraggia, estudiante de doctorado y coautor del estudio, declaró que el equipo calculó cuántos de estos objetos podrían existir y cuántos lograría detectar LIGO: “Nuestros resultados son alentadores. Estimamos que los agujeros negros subsolares como el que detectó LIGO serían sumamente infrecuentes, lo cual concuerda con la cantidad muy baja de eventos similares identificados hasta ahora”.

Qué son los agujeros negros primordiales y por qué podrían explicar la materia oscura

Los agujeros negros primordiales son cuerpos teorizados en los primeros instantes posteriores al Big Bang, antes de la formación de las primeras estrellas. Su existencia se ha discutido como posible respuesta al enigma de la materia oscura, término que alude al componente invisible del universo que controla la estabilidad y agrupación de las galaxias.

Según las ideas propuestas inicialmente por Zeldovich y Novikov, y desarrolladas por Stephen Hawking en los años setenta, estos objetos existirían en grandes cantidades, tendrían tamaños que van desde el de un asteroide hasta masas mucho mayores y serían capaces de irradiar energía. La confirmación de al menos uno de estos fenómenos serviría como punto de partida para reconsiderar todas las teorías sobre la composición y evolución del universo.

En el artículo sometido a The Astrophysical Journal, Cappelluti enfatiza que hasta ahora ninguna explicación astrofísica tradicional logra interpretar esa señal detectada por LIGO, y que la hipótesis más consistente sigue siendo la existencia de agujeros negros primordiales. Magaraggia coincide: la evidencia apunta a una población exótica, extremadamente rara por definición, pero esencial para explicar la estructura profunda del cosmos observable.

Respuesta directa: qué ocurrió, quién lo protagonizó y cuál es su significado

En noviembre de 2023, el observatorio LIGO detectó una señal de onda gravitacional correspondiente a la fusión de al menos un objeto con masa inferior a la del Sol, un fenómeno incompatible con el origen estelar habitual de los agujeros negros. Dos astrofísicos de la Universidad de Miami —Nico Cappelluti y Alberto Magaraggia— analizaron la señal y argumentan que constituye la primera evidencia potencial de un agujero negro primordial, nacido en el universo temprano. Su estudio plantea que este tipo de objetos explica una proporción significativa de la materia oscura, aportando una pista concreta a uno de los problemas más importantes y persistentes de la astrofísica contemporánea, según detalla The Astrophysical Journal.

La historia de estos fenómenos se remonta a la Guerra Fría, cuando Zeldovich y Novikov, trabajando en la Unión Soviética, propusieron que los procesos de densidad extrema en el universo naciente podían formar agujeros negros antes que las primeras estrellas. Hawking desarrolló después la idea de la radiación de estos objetos como posible fuente de la materia oscura.

Desde 2015, la astronomía ha contado con un nuevo aliado experimental. Ese año, el LIGO —mediante sus dos instalaciones gemelas en Hanford (Washington) y Livingston (Luisiana), cada una con brazos de vacío de 4 kilómetros— registró por primera vez ondas gravitacionales. El hallazgo, ocurrido el 14 de septiembre de 2015, constituyó una prueba directa de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein y marcó el inicio de una nueva disciplina: la astronomía de ondas gravitacionales.

Actualmente, LIGO opera en coordinación con Virgo (Italia) y KAGRA (Japón) en una red conocida como LVK. Juntos, estos instrumentos buscan tanto agujeros negros clásicos como los todavía no confirmados agujeros negros primordiales, ampliando los horizontes de observación ante señales poco convencionales como la de noviembre de 2023.

Por qué LIGO no basta y qué observatorios prometen respuestas

El mismo Cappelluti reconoce que la investigación dista de estar concluida. Considera imprescindible que LIGO, Virgo o KAGRA identifiquen nuevas señales equivalentes antes de confirmar de forma indiscutible la existencia de agujeros negros primordiales: “LIGO detectó pruebas muy sólidas de la existencia de este tipo de agujeros negros. Pero necesitaremos detectar otra señal similar, o incluso varias más, para obtener la confirmación definitiva de su existencia”.

Aunque las futuras mejoras técnicas de LIGO aumentarán su sensibilidad general, el propio instrumento está limitado a la detección de ondas gravitacionales de alta frecuencia, principalmente originadas en eventos violentos de épocas estelares más recientes. No puede rastrear directamente las ondas provenientes de los instantes inmediatos al Big Bang, donde se supone que se formaron los agujeros negros primordiales.

En este contexto, el futuro observatorio espacial europeo LISA (Laser Interferometer Space Antenna) —cuyo lanzamiento está programado para 2035— pretende captar ondas gravitacionales generadas mucho antes en la historia cósmica. Cosmic Explorer, otro detector basado en tierra y actualmente en fase de diseño en Estados Unidos, multiplicará por 10 la sensibilidad de LIGO. Este instrumento podrá observar fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones desde los primeros momentos tras el surgimiento de las primeras estrellas.

Por el momento, la confirmación definitiva sigue pendiente de que la red internacional de observatorios de ondas gravitacionales detecte nuevas señales del mismo tipo, según subraya Cappelluti. Aunque el fenómeno permanece dentro del terreno de la hipótesis, la señal detectada en 2023 y el análisis publicado abren una vía sólida para investigar experimentalmente la naturaleza de la materia oscura y la existencia de agujeros negros primordiales descritos por Hawking, Zeldovich y Novikov.